JP2016015309A - 燃料電池を利用する潜水航走体のための熱再利用および温度制御 - Google Patents

燃料電池を利用する潜水航走体のための熱再利用および温度制御 Download PDF

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Abstract

【課題】スターリングエンジンを利用する潜水航走体のための固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の温度制御および熱再利用をもたらし、カソードブロワからの寄生損失を減らすことによってシステム効率向上を提供する。【解決手段】潜水航走体は、ＳＯＦＣ２０２と、ＳＯＦＣ２０２を取り囲む高温ボックス２０１と、冷却ループ２１２と、スターリングエンジン２２２とを含む。スターリングエンジン２２２は、高温ボックス２０１の内部に熱的に結合される第１の端部（高温端２２４）と、冷却ループ２１２に熱的に結合される第２の端部（低温端２２６）とを有する。冷却剤ポンプ２１６は、ポンプ制御信号に基づいてスターリングエンジン２２２の第２の端部からの熱除去率を変える。温度管理コントローラー２２８は、ＳＯＦＣのカソード出口２０６の温度を監視するとともに、カソード出口の温度を所定の温度範囲内に維持するべくポンプ制御信号を変える。【選択図】図２

Description

この開示は、潜水航走体の分野に関し、特に、電力生成のために固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を利用する潜水航走体に関する。
潜水航走体（例えば、無人水中航走体（ＵＵＶ））は、時として、電気を発生させるために燃料電池を利用する。燃料電池の１つの例が固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。ＳＯＦＣは、燃料および酸素を電気と熱とに電気化学的に変換することによって動作する。典型的なＳＯＦＣは約６５０−８５０℃で動作し、また、変換プロセスは発熱である。これは、ＵＵＶにおいて問題となり得る多量の廃熱を発生させる。一般に、廃熱は、ＵＵＶを取り囲む水へと熱を伝える冷却ループを使用してＵＵＶから除去される。
ＳＯＦＣ自体の温度制御のため、酸素をＳＯＦＣのカソードへ供給するとともにＳＯＦＣに対する冷却を行うべくカソードブロワが利用される。ＳＯＦＣの温度が動作範囲の上限付近まで上昇すると、カソードブロワの速度は、ＳＯＦＣに対する更なる冷却を行うために増大される。しかしながら、カソードブロワは、冷却作用のためにＳＯＦＣからかなりの量の寄生電力を利用する場合があり、それにより、ＵＵＶのために利用できる電力が減少する。例えば、カソードブロワは、その最大流量で動作されるときに、ＳＯＦＣから発生される全電力の２０％程度を利用する場合がある。この最大流量は、しばしば、ＳＯＦＣで燃料を酸化させるために必要な流量よりもかなり高い。
本明細書中に記載される実施形態は、スターリングエンジンを利用する潜水航走体のためのＳＯＦＣの温度制御および熱再利用をもたらす。スターリングエンジンは、使用可能な仕事を生成するために温度差を利用し、仕事は、その後、ＳＯＦＣの発電能力を増大させるために航走体で使用されてもよい。また、スターリングエンジンは、ＳＯＦＣの温度を制御できるＳＯＦＣにおける可変ヒートシンクとして動作する。例えば、スリーブエンジンにわたる温度差を増大させることにより、高いカソードブロワ流量を用いることなくＳＯＦＣの温度を制御することができる。これは、カソードブロワからの寄生損失を減らすことによってシステムの効率を高める。
１つの実施形態は、水中に潜るように構成される航走体である。航走体は、カソード入口と、カソード出口と、アノード入口と、アノード出口とを有するＳＯＦＣを含む。航走体は、ＳＯＦＣを取り囲む高温ボックスを更に含む。航走体は、熱交換器と冷却剤ポンプとを含む冷却ループを更に含む。熱交換器は冷却ループを水に対して熱的に結合させる。航走体は、高温ボックスの内部に熱的に結合される第１の端部と、冷却ループに熱的に結合される第２の端部とを有するスターリングエンジンを更に含む。冷却剤ポンプは、ポンプ制御信号に基づいてスターリングエンジンの第２の端部からの熱除去率を変えるように構成される。航走体は、ＳＯＦＣのカソード出口の温度を監視するとともに、ＳＯＦＣのカソード出口の温度を所定の温度範囲内に維持するべくポンプ制御信号を変えるように構成される温度管理コントローラーを更に含む。
他の実施形態は、水中に潜るように構成される航走体である。航走体は、カソード入口と、カソード出口と、アノード入口と、アノード出口とを有するＳＯＦＣを含む。航走体は、ＳＯＦＣを取り囲む高温ボックスを更に含む。航走体は、出口と入口とを有するカソードブロワを更に含む。カソードブロワの入口はＳＯＦＣのカソード出口に結合される。カソードブロワは、カソードブロワ制御信号に基づいてＳＯＦＣに対して与えられる冷却の比率を変えるように構成される。航走体は、高温ボックスの内部と熱的に結合される第１の端部と、カソードブロワの出口をＳＯＦＣのカソード入口に結合する第２の端部とを有するスターリングエンジンを更に含む。カソードブロワは、カソードブロワ制御信号に基づいてスターリングエンジンの第２の端部からの熱除去率を変えるように構成される。航走体は、ＳＯＦＣのカソード出口の温度を監視するとともに、ＳＯＦＣのカソード出口の温度を所定の温度範囲内に維持するべくカソードブロワ制御信号を変えるように構成される温度管理コントローラーを更に含む。
他の実施形態は、スターリングエンジンを利用するＳＯＦＣの温度を制御する方法である。該方法は、ＳＯＦＣのカソード出口の温度を監視するステップを備え、ＳＯＦＣは、スターリングエンジンの第１の端部に熱的に結合される高温ボックスによって取り囲まれる。方法は、ＳＯＦＣのカソード出口の温度を所定の温度範囲内に維持するようにスターリングエンジンの第２の端部からの熱除去率を変えるステップを更に備える。
前述した概要は、明細書の幾つかの態様の基本的な理解を与える。この概要は、明細書の外延的な要約ではない。この概要は、明細書の主要な或いは重要な要素を特定しようとするものではなく、明細書の特定の実施形態の任意の範囲または特許請求項の任意の範囲を線引きしようとするものでもない。その唯一の目的は、明細書の幾つかの概念を後に与えられる更に詳しい説明の前置きとして簡略化された形態で与えることである。
ここで、単なる一例として、添付図面を参照して、幾つかの実施形態を説明する。同じ参照数字は、全ての図面上で同じ要素または同じタイプの要素を表す。
典型的な実施形態におけるＳＯＦＣの温度制御および熱再利用のためにスターリングエンジンを利用する潜水航走体を示す。 典型的な実施形態におけるＳＯＦＣのための温度制御および熱再利用のためにスターリングエンジンを利用する潜水航走体のブロック図である。 典型的な実施形態におけるＳＯＦＣのための温度制御および熱再利用のためにアノードブロワループでスターリングエンジンを利用する潜水航走体のブロック図である。 典型的な実施形態におけるＳＯＦＣのための温度制御および熱再利用のためにカソードブロワループでスターリングエンジンを利用する潜水航走体のブロック図である。 典型的な実施形態におけるスターリングエンジンを利用してＳＯＦＣの温度を制御する方法のフローチャートである。
図および以下の説明は、特定の典型的な実施形態を示す。したがって、本明細書中に明示的に記載され或いは示されないが実施形態の原理を具現化して実施形態の範囲内に含まれる様々な構成を当業者が考え出すことができるのが分かる。また、本明細書中に記載される任意の例は、実施形態の原理を理解するのに役立つように意図されており、また、そのような具体的に挙げられた例および状態に限定しないように解釈されなければならない。結果として、発明概念は、以下に記載される特定の実施形態または例に限定されず、特許請求項およびそれらの等価物によって限定される。
図１は、典型的な実施形態におけるＳＯＦＣの温度制御および熱再利用のためにスターリングエンジンを利用する潜水航走体１００を示す。この実施形態では、航走体１００が無人水中航走体（ＵＵＶ）として描かれるが、他の実施形態において、航走体１００は、水中に潜ることができるとともに電気を発生するためにＳＯＦＣ燃料電池を利用することができる任意のタイプの航走体であってもよい。
この実施形態において、航走体１００は、該航走体１００が水面に浮上することなく長期間にわたって動作できるようにする搭載エネルギー源を利用する水中航走体である。一般に、水中航走体は、該航走体に対して電力を供給するために原子力電源またはバッテリーを利用する。しかしながら、この実施形態において、航走体１００は、水面に浮上することなく長期間にわたる水中任務を可能にするために、局所的に蓄えられた燃料（例えば、炭化水素燃料）および局所的に蓄えられた酸化剤（例えば、酸素）が供給される搭載燃料電池（例えばＳＯＦＣ）を利用する。
ＳＯＦＣは、ＳＯＦＣ内の燃料の発熱酸化に起因してかなりの量の廃熱を発生させ、この廃熱は、一般に、航走体が潜って動作している水へ廃熱を伝えることによって除去される。また、ＳＯＦＣは、ＳＯＦＣがそれらの最大動作温度を超えないようにするために冷却を必要とする。この冷却は、一般に、ＳＯＦＣにおける燃料酸化率のために必要な速度よりも高い速度でＳＯＦＣのためのカソードブロワを動作させることによって行われる。これは、システムにおける寄生電気損失を増大させて、効率を低下させる。本明細書中に記載される実施形態において、航走体１００は、ＳＯＦＣによって発生される廃熱の一部を再利用するとともにＳＯＦＣの温度を制御するためにスターリングエンジンと組み合わせてＳＯＦＣを利用する。これは、カソードブロワがより低い速度で動作できるようにし、それにより、システムの寄生損失を減少させて、効率を高める。また、幾つかの実施形態では、再利用される廃熱をスターリングエンジンによって使用して、発電機ヘッドを回転させ、ＳＯＦＣにより発生される電気を増大させることができる。これは、航走体１００が燃料補給を伴うことなく長期間にわたって動作できるようにする。
図２は、典型的な実施形態におけるＳＯＦＣ２０２のための温度制御および熱再利用のためにスターリングエンジン２２２を利用する航走体１００のブロック図２００である。ブロック図２００は、ＳＯＦＣ２０２およびＳＯＦＣ２０２の動作をサポートするために使用される多くの構成要素の簡略化された表示であり、また、当業者は、図示しない更なる構成要素（例えば、弁、冷却剤ループ、ブロワなど）が設計上の選択事項として利用されてもよいことを理解できる。
この実施形態において、燃料２４６は、航走体１００のための電気を発生させるために、ＳＯＦＣ２０２内で酸素２３６と組み合わさって酸化される。燃料２４６は、設計上の選択事項として任意のタイプの水素系燃料（例えば、Ｈ２）を含んでもよいが、重質炭化水素燃料がそれらの高いエネルギー密度に起因して使用されてもよい。重質炭化水素燃料の幾つかの例は、アルコール、ガソリン、ディーゼル、および、ジェット燃料である。重質炭化水素燃料が使用されるときには、ＳＯＦＣ２０２で使用するための自由Ｈ２を発生させるために燃料改質器２４０が使用され、この燃料改質器２４０は、アノードブロワ２４８によって（例えば、アノード入口２０８を介して）ＳＯＦＣ２０２のアノード側に設けられる。酸化されないＨ２および水は、（例えば、アノード出口２１０を介して）ＳＯＦＣ２０２から出て、改質器２４０へ戻される。アノードパージシステム２６４が発生されたＨ２ＯおよびＣＯ２を除去する。
酸素２３６は、設計上の選択事項として高圧縮Ｏ２または液化Ｏ２であってもよい。液化Ｏ２はより高い密度を与え、それにより、航走体１００のためのより長い任務時間がもたらされる。酸素２３６は、カソードブロワ２３０によってＳＯＦＣ２０２のカソード側へ（例えば、カソード入口２０４を介して）供給される。カソードブロワ２３０の出口２３４は、ＳＯＦＣ２０２へ供給される酸素を予熱するために熱交換器２３８へ接続されてもよく、ＳＯＦＣ２０２へ供給される酸素は、熱交換器２３８へ送られる前に約１００℃未満であってもよい。熱交換器２３８は、高温であるＳＯＦＣ２０２のカソード出口２０６に結合される高温側を有する。熱交換器２３８の高温側の排ガスは、カソードブロワ２３０の入口２３２へ送り戻される。酸化プロセス中に発生される熱は高温ボックス２０１内に保持され、高温ボックス２０１は、ＳＯＦＣ２０２を動作させるために使用される他の高温構成要素と共にＳＯＦＣ２０２を含む。高温ボックス２０１内の温度は約８００℃〜１０００℃となり得る。
また、図２は、高温ボックス２０１の内部中の様々な温度を監視するために使用される多くの温度センサ２５４−２６０を示す。センサ２５４−２５５は、ＳＯＦＣのカソード入口２０４およびカソード出口２０６の温度をそれぞれ測定する。センサ２５６−２５７は、ＳＯＦＣ２０２のアノード入口２０８およびアノード出口２１０の温度をそれぞれ測定する。センサ２５８−２５９は、改質器２４０の入口２４２および出口２４４の温度をそれぞれ測定する。センサ２６０は、高温ボックス２０１の内部中の温度を測定する。
この実施形態において、スターリングエンジン２２２は、高温ボックス２０１内で発生される廃熱を再利用するため、および、高温ボックス２０１内のＳＯＦＣ２０２および／または他の構成要素のための温度制御を行うために使用される。スターリングエンジン２２２は高温側２２４と低温側２２６とを含む。高温側２２４は、高温ボックス２０１の内部に熱的に結合されるとともに、高温ボックス２０１内からの放射熱を吸収する。低温側２２６は冷却ループ２１２に熱的に結合される。高温側２２４と低温側２２６との間の温度差が、シャフトを回転させる１つ以上のピストン（図示せず）を駆動させるためにスターリングエンジン２２２内の作動ガスを加熱する。スターリングエンジン２２２の動作中、熱が高温側２２４から低温側２２６へ流れる。これにより、高温側２２４と低温側２２６との間の温度差に応じた可変比率で熱を高温ボックス２０１から除去することができる。幾つかの実施形態において、スターリングエンジン２２２は、ＳＯＦＣ２０２により発生される電気に加えて電力を航走体１００へ供給する発電機ヘッド２６２に結合される。
冷却ループ２１２は、スターリングエンジン２２２の低温側２２６から熱を除去するとともに高温側２２４と低温側２２６との間に温度差を与えるために使用される。この実施形態における冷却ループ２１２は冷却剤ポンプ２１６を含み、冷却剤ポンプ２１６は、スターリングエンジン２２２の低温側２２６に結合される出口２２０と、熱交換器２１４に結合される入口２１８とを有する。冷却剤ポンプ２１６は冷却剤（例えば、水、グリコール等）を循環させ、冷却剤は冷却ループ２１２を循環する。スターリングエンジン２２２の低温側２２６からの熱は冷却ループ２１２内の冷却剤へ伝えられ、その後、この熱は、熱交換器２１４内の冷却水へ伝えられる。熱交換器２１４によって使用される冷却水は、航走体１００が潜って動作している水であってもよい。
この実施形態において、温度管理コントローラー２２８は、センサ２５４−２６０を介して高温ボックス２０１の内部中の温度を監視できるとともに、スターリングエンジン２２２の低温側２２６からの熱除去率を変えることによって温度を制御できる任意の構成要素、システム、または、デバイスを含む。そのようにするために、コントローラー２２８は、冷却ループ２１２内の冷却剤の流量を変化させる冷却剤ポンプ２１６に印加されるポンプ制御信号を変化させる。冷却剤の流量が増大されると、スターリングエンジン２２２の高温側２２４と低温側２２６との間にわたってより大きな温度勾配がもたらされる。これにより、スターリングエンジン２２２の速度が増大するとともに、有用な仕事（例えば、発電）へ変換される熱エネルギーの量が増大する。冷却剤の流量が減少されると、スターリングエンジン２２２の高温側２２４と低温側２２６との間にわたってより小さな温度勾配がもたらされる。これにより、スターリングエンジン２２２の速度が減少するとともに、有用な仕事（例えば、発電）へ変換される熱エネルギーの量が減少する。スターリングエンジン２２２を使用すると、高温ボックス２０１内のＳＯＦＣ２０２および／または他の構成要素の温度を制御できる。ＳＯＦＣ２０２の温度がスターリングエンジン２２２を利用して制御されると、通常はカソードブロワ２３０により行われる冷却を減らすことができ、それにより、カソードブロワ２３０により使用される電力を減少させることができる。これにより、カソードブロワ２３０によって通常消費される寄生電力が下がる。
以下の例を考慮されたい。第１の例では、ＳＯＦＣ２０２のカソード出口２０６の温度がゆっくりと上昇していることを考慮されたい。動作中、ＳＦＯＣ２０２は、燃料２４６を酸化して熱を発生させる。ＳＯＦＣ２０２は、一般にＳＯＦＣ２０２と高温ボックス２０１の内部との間の温度差に依存する比率で熱を高温ボックス２０１の内部へ放射する。したがって、ある場合には、温度差が小さくなり、それにより、ＳＯＦＣ２０２から高温ボックス２０１の内部への熱伝達率が低下する場合がある。これにより、ＳＯＦＣ２０２の温度が経時的に上昇する。これは、ＳＯＦＣ２０２の温度に関する良好な指標であるカソード出口２０６にある温度センサ２５５を使用してコントローラー２２８により検出され得る。しかしながら、ＳＯＦＣ２０２は、特定の温度範囲内でより効果的に動作する。例えば、ＳＯＦＣ２０２の温度を約７５０℃の約±１００℃内に維持することが望ましい場合がある。温度が非常に低く（例えば約６００℃）下がる場合には、ＳＯＦＣ２０２内のセラミック電解質が酸素イオンをカソードからアノードへ効率的に輸送しない場合がある。しかし、温度が非常に高く（例えば約１０００℃）上がる場合には、ＳＯＦＣ２０２が熱応力に起因して破損される場合がある。
動作温度の上限へ向けて経時的に温度上昇するＳＯＦＣ２０２への典型的な応答は、ＳＯＦＣ２０２へのカソード流量を増大することである。コントローラー２２８は、カソードブロワ２３０に印加されるカソードブロワ信号を変えることによってＳＯＦＣ２０２へのカソード流量を増大することができる。ＳＯＦＣ２０２へのカソード流量の増大は、より速い速度で熱をＳＯＦＣ２０２から除去する。これは、カソードブロワ２３０の出口２３４の酸素が約１００℃未満だからである。これにより、冷却に起因してＳＯＦＣ２０２の温度が低下する。しかしながら、カソードブロワ２３０は、カソード流量を増大させるために、より多くの電力を消費し、これは効率が悪い。
カソード流量を増大させる代わりにおよび／またはカソード流量を増大させることに加えて、コントローラー２２８は、冷却ループ２１２内の冷却剤の流量を増大させるべく冷却剤ポンプ２１６に印加されるポンプ制御信号を変更する。冷却剤流量の増大により、スターリングエンジン２２２は、より速い速度で高温ボックス２０１内からの熱を消費することができ、それにより、高温ボックス２０１内の様々な要素（例えばＳＯＦＣ２０２）の冷却要件が減少される。スターリングエンジン２２２によって消費される熱は、カソードブロワ２３０によって代わりに行われるであろう冷却の量を軽減する。また、スターリングエンジン２２２によって行われる仕事を使用して電気を発生させることができ、これは、航走体１００の周囲の水へ廃熱を単に放出する場合よりも効率的な、高温ボックス２０１内のＳＯＦＣ２０２および構成要素によって発生される廃熱の使用である。
次の例では、ＳＯＦＣ２０２のカソード出口２０６の温度がゆっくりと下降していることを考慮されたい。動作中、ＳＦＯＣ２０２は、燃料２４６を酸化して熱を発生させる。ＳＯＦＣ２０２は、一般にＳＯＦＣ２０２と高温ボックス２０１の内部との間の温度差に依存する比率で熱を高温ボックス２０１の内部へ放射する。したがって、ある場合には、温度差が高くなり、それにより、ＳＯＦＣ２０２から高温ボックス２０１の内部への熱伝達率が高くなる場合がある。これにより、ＳＯＦＣ２０２の温度が経時的に下がる。これは、ＳＯＦＣ２０２の温度に関する良好な指標であるカソード出口２０６にある温度センサ２５５を使用してコントローラー２２８により検出され得る。
動作温度の下限へ向けて経時的に温度が下がるＳＯＦＣ２０２への典型的な応答は、ＳＯＦＣ２０２での燃料２４６の酸化率に依存する何らかの最小流量へ向けてＳＯＦＣ２０２へのカソード流量を減少させることである。コントローラー２２８は、カソードブロワ２３０に印加されるカソードブロワ信号を変えることによってＳＯＦＣ２０２へのカソード流量を減少させることができる。ＳＯＦＣ２０２へのカソード流量の減少は、よりゆっくりとした速度で熱をＳＯＦＣ２０２から除去するが、ＳＯＦＣ２０２は、ＳＯＦＣ２０２へのカソード流量が最小流量であるときでさえ依然として温度上昇する場合がある。
この場合、コントローラー２２８は、冷却ループ２１２内の冷却剤の流量を減少させるために冷却剤ポンプ２１６のためのポンプ制御信号を変更する。冷却剤流量の減少は、スターリングエンジン２２２が高温ボックス２０１内からの熱をより遅い速度で消費できるようにし、それにより、ＳＯＦＣ２０２の温度が上昇し得る。また、このプロセス中にスターリングエンジン２２２により行われる仕事を使用して電気を発生させることができ、これは効率を高める。
コントローラー２２８によって行われる温度制御プロセスをＳＯＦＣ２０２のカソード出口２０６の温度に関して具体的に説明してきたが、他の制御ポイントが高温ボックス２０１の内部中に存在する。例えば、カソード出口２０６の温度に加えておよび／または代えて、コントローラー２２８は、改質器２４０の入口２４２の温度（センサ２５８を介して）、改質器２４０の出口２４４の温度（センサ２５９を介して）、高温ボックス２０１の内部の温度（センサ２６０を介して）、カソード入口２０４の温度（センサ２５４を介して）、アノード入口２０８の温度（センサ２５６を介して）、および／または、アノード出口２１０の温度（センサ２５７を介して）を制御するために冷却剤ポンプ２１６に印加されるポンプ制御信号を変更してもよい。例えば、カソードブロワ２３０が最小流量にある場合に、高温ボックス２０１内の温度が低下していることは、スターリングエンジン２２２が高温ボックス２０１内から多過ぎる熱を消費していることを示す。この場合、冷却剤ポンプ２１６のためのポンプ制御信号は、冷却ループ２１２内の冷却剤の流量を減少させるように変更される。
図３は、典型的な実施形態におけるＳＯＦＣ２０２のための温度制御および熱再利用のためにアノードブロワループでスターリングエンジン２２２を利用する航走体１００のブロック図３００である。この実施形態において、改質器２４０の出口２４４は、スターリングエンジン２２２の高温端２２４へ経路付けられて、アノードブロワ２４８の入口２５０へと戻される。これは、改質器２４０の高温出口２４４をスターリングエンジンの高温端２２４に熱的に結合する。動作中、スターリングエンジン２２２は、改質器２４０から出た改質燃料から熱を引き出し、アノードブロワ２４８に入る前に改質燃料を冷却する。一般に、改質燃料は、別個の冷却ループを利用して冷却される。したがって、スターリングエンジン２２２は、通常は失われるであろう改質燃料からの廃熱を取り戻すことができる。図３は、スターリングエンジン２２２の高温端２２４がアノードパージシステム２６４に結合されることを更に示す。これにより、スターリングエンジン２２２は、通常は失われるであろうアノードパージシステム２６４からの廃熱を引き出すことができる。改質燃料およびアノードパージシステム２６４からの熱の引き出しは、高温ボックス２０１の内部からの放射熱を捕捉することに加えて行われてもよい。
図４は、典型的な実施形態におけるＳＯＦＣ２０２のための温度制御および熱再利用のためにカソードブロワループでスターリングエンジン２２２を利用する航走体１００のブロック図４００である。この実施形態において、カソードブロワ２３０の出口２３４は、スターリングエンジン２２２の低温端２２６へ経路付けられて、熱交換器２３８へと戻される。これにより、熱をスターリングエンジン２２２の高温端２２４からＳＯＦＣ２０２のカソードへ供給される酸素へと伝えることができる。これは、混合物が熱交換器２３８へ経路付けられる前に混合物を予熱し、混合物は、一般に、約１００℃未満から約６５０℃まで加熱される。これにより、スターリングエンジン２２２のための冷却ループをＳＯＦＣ２０２のカソードへ供給される酸素のための予熱プロセスの一部として使用することができる。この実施形態は、スターリングエンジン２２２の高温端２２４を熱源のために高温ボックス２０１の内部に熱的に結合されるように示すが、これに加えておよび／または代えて、高温端２２４のための前述した熱源のいずれかが設計上の選択事項として使用されてもよい。
スターリングエンジン２２２を利用すると、通常は航走体１００が潜って動作している水へと失われるであろう廃熱を利用して、更なる仕事を行うことができる。また、スターリングエンジン２２２が可変ヒートシンクとして動作し、それにより、コントローラー２２８は、冷却ループ２１２の流量を変えることにより高温ボックス２０１の内部中の温度を制御することができる。ある場合には、これにより、カソードブロワ２３０が低速で動作することができ、その結果、航走体１００における寄生電気損失が減少される。
図５は、典型的な実施形態におけるスターリングエンジンを利用してＳＯＦＣの温度を制御する方法５００のフローチャートである。図２−図４のコントローラー２２８に関して方法５００のステップが説明されるが、当業者は、方法５００が図示しない他のデバイスまたはシステムによって行われてもよいことを理解できる。方法５００のステップは、全てが包括的であるとは限らず、図示しない他のステップを含んでもよい。ステップ５０２において、コントローラー２２８は、ＳＯＦＣ２０２のカソード出口２０６の温度を（例えばセンサ２５５を介して）監視する。ＳＯＦＣ２０２は、高温ボックス２０１によって取り囲まれるとともに、スターリングエンジン２２２の高温端２２４に熱的に結合される。ステップ５０４において、コントローラー２２８は、ＳＯＦＣ２０２のカソード出口２０６の温度を所定の温度範囲内に維持するために（例えば、冷却ループ２１２により低温端２２６に適用される冷却を変えることにより、カソードブロワ２３０の流量を変えることにより、など）スターリングエンジンの低温端２２６からの熱除去率を変える。
図に示される或いは本明細書中に記載される任意の様々な要素は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、または、これらの何らかの組み合わせとして実装されてもよい。例えば、要素が専用ハードウェアとして実装されてもよい。専用ハードウェア要素は、「プロセッサ」、「コントローラー」、または、何らかの同様な専門用語と称されてもよい。機能は、プロセッサにより与えられるときには、単一の専用プロセッサによって、単一の共有プロセッサによって、または、そのうちの幾つかが共有されてもよい複数の個々のプロセッサによって与えられてもよい。また、用語「プロセッサ」または「コントローラー」の明示的な使用は、ソフトウェアを実行できるハードウェアのことを排他的に示すように解釈されるべきでなく、限定を伴うことなく、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ハードウェア、ネットワークプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）または他の回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ソフトウェアを記憶するためのリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、不揮発性記憶装置、論理、または、何らかの他の物理的ハードウェアコンポーネント或いはモジュールを暗示的に含んでもよい。
また、要素は、該要素の機能を果たすためにプロセッサまたはコンピュータにより実行できる命令として実装されてもよい。命令の幾つかの例は、ソフトウェア、プログラムコード、および、ファームウェアである。命令は、要素の機能を果たすようにプロセッサに命じるべくプロセッサにより実行されるときに機能できる。命令は、プロセッサにより読み取ることができる記憶デバイスに記憶されてもよい。記憶デバイスの幾つかの例は、デジタルメモリまたは固体メモリ、磁気ディスクや磁気テープなどの磁気記憶媒体、ハードドライブ、または、光学的に読み取り可能なデジタルデータ記憶媒体である。
特定の実施形態が本明細書中で説明されたが、その範囲は、これらの特定の実施形態に限定されない。むしろ、範囲は、以下の特許請求項およびその任意の等価物によって規定される。
２０１ 高温ボックス
２０２ ＳＯＦＣ
２０４ カソード入口
２０６ カソード出口
２０８ アノード入口
２１０ アノード出口
２１２ 冷却ループ
２１４ 熱交換器
２１６ 冷却剤ポンプ
２２２ スターリングエンジン
２２４ 高温側（高温端）
２２６ 低温側（低温端）
２２８ 温度管理コントローラー
２３０ カソードブロワ
２３８ 熱交換器
２４０ 燃料改質器
２４８ アノードブロワ
２５４−２６０ 温度センサ、センサ
２６２ 発電機ヘッド
２６４ アノードパージシステム

Claims (17)

  1. 固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を含むとともに水中に潜るように構成される航走体を備える装置であって、該航走体は、
    前記ＳＯＦＣを取り囲む高温ボックスであって、前記ＳＯＦＣが、カソード入口と、カソード出口と、アノード入口と、アノード出口とを含む、高温ボックスと、
    熱交換器と冷却剤ポンプとを含む前記航走体のための冷却ループであって、前記熱交換器が前記冷却ループと水を熱的に結合させる、冷却ループと、
    前記高温ボックスの内部に熱的に結合される第１の端部と、前記冷却ループに熱的に結合される第２の端部とを有するスターリングエンジンと、
    を備え、
    前記冷却剤ポンプは、ポンプ制御信号に基づいて前記スターリングエンジンの前記第２の端部からの熱除去率を変えるように構成され、
    前記航走体は、前記ＳＯＦＣの前記カソード出口の温度を監視するとともに、前記ＳＯＦＣの前記カソード出口の温度を所定の温度範囲内に維持するべく前記ポンプ制御信号を変えるように構成される温度管理コントローラーを備える、
    装置。
  2. 前記装置が出口と入口とを有するカソードブロワであって、前記カソードブロワの前記入口が前記ＳＯＦＣの前記カソード出口に結合される、カソードブロワを更に備え、
    前記カソードブロワは、カソードブロワ制御信号に基づいて前記ＳＯＦＣに対して与えられる冷却の比率を変えるように構成され、
    前記温度管理コントローラーは、前記スターリングエンジンの前記第２の端部から除去される熱の比率を増大させるように前記ポンプ制御信号を変えるとともに、前記スターリングエンジンの前記第２の端部から除去される熱の比率の増大に応じて前記ＳＯＦＣに対して与えられる冷却の比率を減少させるように前記カソードブロワ制御信号を変えるべく構成される、請求項１に記載の装置。
  3. 前記カソードブロワの前記出口に結合される酸素源を更に備える、請求項２に記載の装置。
  4. 前記温度管理コントローラーは、前記ＳＯＦＣの前記アノード入口の温度および前記ＳＯＦＣの前記カソード入口の温度のうちの少なくとも一方を監視するとともに、前記ＳＯＦＣの前記アノード入口の温度および前記ＳＯＦＣの前記カソード入口の温度のうちの少なくとも一方を所定の温度範囲内に維持するように前記ポンプ制御信号を変えるべく構成される、請求項１に記載の装置。
  5. 前記温度管理コントローラーは、前記高温ボックスの内部の温度および前記ＳＯＦＣの前記アノード出口の温度のうちの少なくとも一方を監視するとともに、前記高温ボックスの内部の温度および前記ＳＯＦＣの前記アノード出口の温度のうちの少なくとも一方を所定の温度範囲内に維持するように前記ポンプ制御信号を変えるべく構成される、請求項１に記載の装置。
  6. 燃料源と、
    入口と出口とを有する燃料改質器であって、前記燃料改質器の前記入口が前記燃料源と前記ＳＯＦＣの前記アノード出口とに対して結合される、燃料改質器と、
    入口と出口とを有するアノードブロワであって、前記アノードブロワの前記出口が前記ＳＯＦＣの前記アノード入口に結合され、前記スターリングエンジンの前記第１の端部が前記燃料改質器の前記出口を前記アノードブロワの前記入口に結合する、アノードブロワと、
    を更に備える、請求項１に記載の装置。
  7. 前記温度管理コントローラーは、前記燃料改質器の前記入口の温度および前記燃料改質器の前記出口の温度のうちの少なくとも一方を監視するとともに、前記燃料改質器の前記入口の温度および前記燃料改質器の前記出口の温度のうちの少なくとも一方を所定の温度範囲内に維持するように前記ポンプ制御信号を変えるべく構成される、請求項６に記載の装置。
  8. 固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を含むとともに水中に潜るように構成される航走体を備える装置であって、該航走体は、
    前記ＳＯＦＣを取り囲む高温ボックスであって、前記ＳＯＦＣが、カソード入口と、カソード出口と、アノード入口と、アノード出口とを含む、高温ボックスと、
    出口と入口とを有するカソードブロワであって、前記カソードブロワの前記入口が前記ＳＯＦＣの前記カソード出口に結合され、前記カソードブロワが、カソードブロワ制御信号に基づいて前記ＳＯＦＣに対して与えられる冷却の比率を変えるように構成される、カソードブロワと、
    前記高温ボックスの内部と熱的に結合される第１の端部と、前記カソードブロワの前記出口を前記ＳＯＦＣの前記カソード入口に結合する第２の端部とを有するスターリングエンジンであって、前記カソードブロワが、前記カソードブロワ制御信号に基づいて前記スターリングエンジンの前記第２の端部からの熱除去率を変えるように構成される、スターリングエンジンと、
    前記ＳＯＦＣの前記カソード出口の温度を監視するとともに、前記ＳＯＦＣの前記カソード出口の温度を所定の温度範囲内に維持するべく前記カソードブロワ制御信号を変えるように構成される温度管理コントローラーと、
    を備える装置。
  9. 前記カソードブロワの前記出口に結合される酸素源を更に備える、請求項８に記載の装置。
  10. 前記酸素源が酸化剤である、請求項３または請求項８に記載の装置。
  11. 前記温度管理コントローラーは、前記ＳＯＦＣの前記アノード入口の温度および前記ＳＯＦＣの前記カソード入口の温度のうちの少なくとも一方を監視するとともに、前記ＳＯＦＣの前記アノード入口の温度および前記ＳＯＦＣの前記カソード入口の温度のうちの少なくとも一方を所定の温度範囲内に維持するように前記カソードブロワ制御信号を変えるべく構成される、請求項８に記載の装置。
  12. 前記温度管理コントローラーは、前記高温ボックスの内部の温度および前記ＳＯＦＣの前記アノード出口の温度のうちの少なくとも一方を監視するとともに、前記高温ボックスの内部の温度および前記ＳＯＦＣの前記アノード出口の温度のうちの少なくとも一方を所定の温度範囲内に維持するように前記カソードブロワ制御信号を変えるべく構成される、請求項８に記載の装置。
  13. 前記スターリングエンジンの前記第１の端部が前記ＳＯＦＣの前記アノード出口に結合される、請求項１または請求項８に記載の装置。
  14. 燃料源と、
    入口と出口とを有する燃料改質器であって、前記燃料改質器の前記入口が前記燃料源と前記ＳＯＦＣの前記アノード出口とに対して結合される、燃料改質器と、
    入口と出口とを有するアノードブロワであって、前記アノードブロワの前記出口が前記ＳＯＦＣの前記アノード入口に結合され、前記スターリングエンジンの前記第１の端部が前記燃料改質器の前記出口を前記アノードブロワの前記入口に結合する、アノードブロワと、
    を更に備える、請求項８に記載の装置。
  15. 前記温度管理コントローラーは、前記燃料改質器の前記入口の温度および前記燃料改質器の前記出口の温度のうちの少なくとも一方を監視するとともに、前記燃料改質器の前記入口の温度および前記燃料改質器の前記出口の温度のうちの少なくとも一方を所定の温度範囲内に維持するように前記カソードブロワ制御信号を変えるべく構成される、請求項１４に記載の装置。
  16. 前記スターリングエンジンの出力シャフトに結合される発電機ヘッドと、
    前記航走体のための電気を分配する電気バスであって、前記ＳＯＦＣおよび前記発電機ヘッドが前記電気バスに電気的に結合される、電気バスと、
    を更に備える、請求項８に記載の装置。
  17. 固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）のカソード出口の温度を監視するステップであって、前記ＳＯＦＣが、スターリングエンジンの第１の端部に熱的に結合される高温ボックスによって取り囲まれている、ステップと、
    前記ＳＯＦＣの前記カソード出口の温度を所定の温度範囲内に維持するようにスターリングエンジンの第２の端部からの熱除去率を変えるステップと、
    を備える方法。
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