JP2021048123A - 高温システムの熱管理のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属水素化物貯蔵器から供給される低温燃料電池の効率的な熱管理のためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】作動媒体を含む１つまたは複数のパイプａ〜ｅを備えた熱交換回路と、熱交換回路に組み込まれ、低温燃料電池４の冷却回路１に熱結合された第１の熱交換器６と、第１の熱交換器６の下流で前記熱交換回路に組み込まれた圧縮機２と、圧縮機２の下流で熱交換回路に組み込まれ、金属水素化物貯蔵器７に熱結合された第２の熱交換器３と、第２の熱交換器３の下流で伝熱媒体回路に組み込まれた膨張機（タービン）５と、膨張機５から第１の熱交換器６までの戻し導管と、を備える。【効果】システムは、およそ８５℃で動作する低温燃料電池の場合に、たとえば金属水素化物貯蔵器の解放温度として、およそ１８０℃を実現可能とする。【選択図】図１

Description

本発明は、高温システムの熱管理のための方法に関する。特に、本発明は、たとえば電力の生成において金属水素化物貯蔵器からの水素を用いて動作する低温燃料電池の効率を向上させるための金属水素化物貯蔵器の熱管理に関する。

水の電気分解においては、水分子が電流によって水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）とに分けられる。燃料電池においては、このプロセスが逆方向に進む。水素（Ｈ_２）および酸素（Ｏ_２）が電気化学的に結合して水を形成することにより、電力が高効率で生成される。

燃料電池の原理の工業実装によって、具体的には１０℃〜１０００℃の範囲の動作温度で異なる電解質を用いたさまざまなソリューションが生まれている。燃料電池は、それぞれの動作温度の関数として、低温、中温、および高温燃料電池に分けられる（たとえば、特許文献１参照）。低温燃料電池は、６０℃〜１２０℃の比較的低めの温度で動作するため、自動車の動作等の移動体用途に特に適している。低温燃料電池の冷却は、水、水／グリコール混合物、または類似の液体を用いて実行可能である。

自動車においては、現在のところ、ＰＥＭタイプの燃料電池の使用が好ましく、これは、６０℃〜９０℃の範囲の温度で動作する。

燃料として必要な水素は通例、環境温度での利用が可能となり得るため、圧力タンクから提供される。これらの圧力タンクは、容積が比較的大きいため、利用可能な貯蔵空間が限られる自動車の動作等の移動体用途の範囲は制限される。金属水素化物に基づく水素貯蔵器（金属水素化物貯蔵器として既知）は、必要な空間が圧力タンクよりもはるかに小さく、これを構成可能であることが知られている。金属における水素の吸蔵で熱が解放されるとともに、金属水素化物からの水素の脱離には、熱を供給する必要がある。このため、金属水素化物貯蔵器は、熱の放出とともに充填され、熱が供給された場合には再び解放される。金属水素化物によって、金属水素化物貯蔵器は−４０℃〜４００℃の範囲の温度で解放されるが、重量に対して貯蔵容量が比較的大きな貯蔵器は、中温水素化物または高温水素化物に基づく。

中温水素化物の場合は、１ｂａｒで１００℃〜２００℃の範囲において脱離が始まる。中温水素化物は、Ｈ_２の反応エンタルピーが−４０〜−６５ｋＪ／ｍｏｌの範囲であり、貯蔵密度がおよそ２．５重量％〜５重量％である。中温水素化物としては、とりわけＮａＡｌＨ_４等のアラネートのほか、Ｈ_２吸収能力が実質的に最大４．５重量％であるＬｉＮＨ_２等のアミドが挙げられる。最適な水素吸収温度はおよそ１２５℃であり、水素放出温度は１６０〜１８５℃である。水素貯蔵容量が比較的大きく、動作温度が比較的低いことから、中温水素化物は、移動体用途の興味深い候補である。

高温水素化物の場合は、１ｂａｒでおよそ２００℃において脱離が始まる。高温水素化物は、Ｈ_２の反応エンタルピーが−６５ｋＪ／ｍｏｌ超であり、貯蔵密度がおよそ７〜１０重量％と比較的高い。軽金属（マグネシウム、アルミニウム）および／または非金属（窒素、ホウ素）により形成されることが多く、容量が非常に大きいことから、燃料電池およびＨ_２を動力源とする内燃機関での使用に適するが、高い動作温度が使用の障害となっている。したがって、高温水素化物は現在のところ、燃料電池およびＨ_２を動力源とする内燃機関には使用されていない。

このような理由により、金属水素化物貯蔵器を加熱して解放する外部加熱システムの使用が一般的には求められている。金属水素化物貯蔵器の加熱に要するエネルギーの一部は、それ以外の目的で利用されることのない燃料電池の廃熱から得ることも可能である。ただし、このエネルギーは一般的に、燃料電池からの電力として得られるか、または、バーナーによってタンク中の水素から直接得られる。燃料電池（たとえば、低温燃料電池）の廃熱は、中温または高温水素化物を所要温度まで加熱するには不十分なためである。ただし、燃料電池からの電力としてエネルギーが得られるか、または、バーナーのタンク中の水素からエネルギーが得られる場合、システムの総合的な効率は大幅に低下する。

水素タンクは、充填のために外部から冷却される結果、エネルギーを再び消費する必要があり、たとえば外部冷却器を介して周囲に放出されるが、これによって、システムの総合的な効率は同様に低下する。事実、金属水素化物貯蔵器の外部冷却は、圧力タンクと比較した場合の現在の効率性の欠如の主要な理由の１つである。

独国特許出願公開第１９８３６３５２号明細書

本発明の目的は、低温燃料電池に接続された高温金属水素化物貯蔵器への媒体等、高温システムへの媒体の熱管理のための効率的なシステムおよび方法を提供することによって、金属水素化物貯蔵器および低温燃料電池のシステムが、既知の方法よりも高い効率および／または高い水素貯蔵容量を有するようにすることである。また、このシステムは可逆的に、たとえば充填中の金属水素化物貯蔵器の冷却を可能にするものとする。

上記目的を達成するため、本発明は、
（ａ）作動媒体を含む１つまたは複数のパイプを備えた熱交換回路と、
（ｂ）熱交換回路に組み込まれ、燃料電池４の冷却回路１に熱結合された第１の熱交換器６と、
（ｃ）第１の熱交換器６の下流で熱交換回路に組み込まれた圧縮機２と、
（ｄ）圧縮機２の下流で熱交換回路に組み込まれ、金属水素化物貯蔵器７に熱結合された第２の熱交換器３と、
（ｅ）第２の熱交換器３の下流で伝熱媒体回路に組み込まれた膨張機（ｅｘｐａｎｄｅｒ）５と、
（ｆ）膨張機５から第１の熱交換器６までの戻し導管と、
を備えた循環システムを提案する。

本発明の一実施形態において、燃料電池４は、低温燃料電池であり、６０℃〜１３０℃、好ましくは６０℃〜１００℃の範囲の温度で動作可能な低温燃料電池であるのが好ましい。別の実施形態において、燃料電池４の冷却回路１は、熱交換回路の下流に設置された冷却液のための熱交換器（たとえば、放熱器、水冷器等）を備える。

本発明の別の実施形態において、作動媒体の大気圧（１．０１３ｂａｒ）での沸点は、燃料電池の最低動作温度を下回り、好ましくは、この最低動作温度をおよそ１℃〜５℃下回る。

たとえば、燃料電池が７０℃〜８５℃の温度で動作し、その熱が冷却回路により除去されて作動媒体に伝達される場合、この作動媒体は、大気圧での沸点が燃料電池の最低動作温度である７０℃を下回るように選択されるのが好都合である。この例によれば、沸点が６９℃以下、より好ましくは６５℃〜６９℃の作動媒体が選択されるのが好ましい。

本発明の別の実施形態において、燃料電池４の冷却回路１は、熱交換回路における作動媒体の沸点を上回る沸点を有する冷却媒体を備える。冷却媒体は、水および水／グリコール混合物から選択されるのが好ましい。

本発明の別の実施形態において、作動媒体は、大気圧（１．０１３ｂａｒ）での沸点が６０℃〜１３０℃、好ましくは６５℃〜１００℃の範囲の液体である。本発明の別の実施形態において、作動媒体は、大気圧（１．０１３ｂａｒ）での沸点が６０℃〜１３０℃、好ましくは６５℃〜１００℃の範囲の炭化水素（たとえば、ｎ−ヘキサン、イソヘキサン、もしくは異なるヘキサン異性体の混合物等のヘキサン、ｎ−ヘプタン、イソヘプタン、もしくは異なるヘプタン異性体の混合物等のヘプタン、ｎ−オクタン、イソオクタン、もしくは異なるオクタン異性体の混合物等のオクタン、またはこれらの混合物から成る群から選択される炭化水素）である。作動媒体は、ｎ−ヘキサンおよびｎ−ヘプタンから選択されるのが好ましい。

本発明の別の実施形態において、第１の熱交換器６は、蒸発器（たとえば、プレート熱交換蒸発器）である。

本発明の別の実施形態において、熱交換回路に組み込まれた圧縮機２は、２相圧縮機（ｔｗｏ−ｐｈａｓｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）である。好適な圧縮機の一例は、液体／気体混合物を搬送する遠心力ポンプである。このような遠心力ポンプは、たとえばＥｄｕａｒｄ Ｒｅｄｌｉｅｎ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ．ＫＧによる商標名ＥＤＵＲ（登録商標）にて入手可能である。別の好適な圧縮機は、たとえば、独国特許第６０２２０８８８号明細書（ＤＥ６０２２０８８８Ｔ２）に記載の通り、スクリュー圧縮機またはロータリー圧縮機である。ただし、原理上は、任意の２相圧縮機が本発明での使用に適している。

本発明の別の実施形態において、金属水素化物貯蔵器７は、少なくとも１つの中温水素化物または少なくとも１つの高温水素化物を含む。本発明の別の好適な実施形態において、金属水素化物貯蔵器は、水素化マグネシウム、水素化アルミニウム、水素化チタン、水素化マンガン、水素化ジルコニウム、および／またはこれらの他の金属との合金（ＬｉＡｌＨ_４、ＬｉＢＨ_４、ＮａＡｌＨ_４、ＬｉＮＨ_２、Ｍｇ（ＮＨ_２）_２、ＮａＢＨ_４、ＭｇＨ_２、ＡｌＨ_３、ＴｉＨ_２、ＬａＮｉ_５Ｈ_６）を含む。本発明の一実施形態において、金属水素化物貯蔵器は、解放温度が低温燃料電池の動作温度を上回り、１００℃〜２２０℃、好ましくは１２０℃〜２００℃の範囲となるように選択されるのが好ましい。金属水素化物貯蔵器の解放温度は、低温燃料電池の動作温度を３０℃〜１２０℃、好ましくは５０℃〜１００℃上回るのが好ましい。

本発明の別の実施形態において、第２の熱交換器３は、凝縮器（たとえば、プレート熱交換凝縮器）である。

本発明の別の実施形態において、伝熱媒体回路に組み込まれた膨張機５は、たとえば、米国特許第５４６７６１３号明細書に記載の通り、２相タービン膨張機であって、米国特許第５４６７６１３号明細書のすべての内容を本明細書に援用する。

好適な２相タービン膨張機は、外周翼（ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｗｉｎｇｓ）と、ディスクを収容するとともに翼に向かうノズル群を含むノズルブロックとを備えたロータディスクを有する構成である。ノズルはそれぞれ、液体から分離する蒸気ポケットの散逸を補助する入口開口プレートを有する。ノズルは、胴部へと一体的に延びた後に離れて出口まで延びる内部形状を有する。この設計は、超音速の出力速度を実現するとともに、液滴の除去に役立つ流れ勾配を生じる。ロータ翼は、純粋なインパルス設計を生じるように湾曲している。ロータは、液体の取り込みならびに液体の循環および新たな侵入を防止するため、翼の上方に円周方向シェルを伴う軸流構成である。

本発明は、上述のような循環システムにおいて低温燃料電池に接続された金属水素化物貯蔵器に熱を供給する方法であって、
（ａ）燃料電池４の冷却回路１に熱結合された第１の熱交換器６により、第１の段階において、液体作動媒体が一定圧力で少なくとも部分的に気化され、
（ｂ）少なくとも部分的に気化された作動媒体が、圧縮機２に供給され、第２の段階において、作動媒体の圧力および温度が圧縮後に上昇するように圧縮され、
（ｃ）作動媒体が、金属水素化物貯蔵器７に熱結合された第２の熱交換器３を通じて搬送され、第３の段階において、熱エネルギーの放出とともに一定圧力で少なくとも部分的に凝縮され、
（ｄ）少なくとも部分的に凝縮された作動媒体が、膨張機５に供給され、第４の段階において、作動媒体の圧力および温度が減圧後に低くなるように減圧され、
（ｅ）作動媒体が、第１の段階に再循環される、方法をさらに提供する。

金属水素化物貯蔵器の充填のため、熱が金属水素化物貯蔵器から除去される。このため、既存のシステムは、圧縮機の動力を抑えて作動媒体が動き続けるように利用される。作動媒体は、金属水素化物貯蔵器からの熱の導入の結果として少なくとも部分的に気化し、これが熱源となって、動作が停止している燃料電池の冷却媒体との接触により凝縮される。したがって、本発明は、上述のような循環システムにおいて低温燃料電池に接続された金属水素化物貯蔵器から熱を除去する方法であって、
（ａ）金属水素化物貯蔵器７と熱結合された第２の熱交換器３により、第１の段階において、金属水素化物貯蔵器からの熱の導入とともに作動媒体が一定圧力で少なくとも部分的に気化され、
（ｂ）少なくとも部分的に気化された作動媒体が、膨張機５を通じて搬送され、第２の段階において、作動媒体の圧力および／または温度が圧縮後に低くなるように任意選択として減圧され、
（ｃ）作動媒体が、燃料電池４の冷却回路１と熱結合された第１の熱交換器６に供給され、第３の段階において、熱の放出とともに一定圧力で少なくとも部分的に凝縮され、
（ｄ）少なくとも部分的に凝縮された作動媒体が、循環システムにおいて作動媒体を移動させるように動作する圧縮機２に供給され、
（ｅ）作動媒体が、第１の段階に再循環される、方法をさらに提供する。

以下の図面を利用して、本発明のシステムおよび本発明の方法を一例として説明するが、本発明を限定する意図はない。

本発明のシステムの模式図である。 循環システムにおいて低温燃料電池に接続された金属水素化物貯蔵器を解放するために当該金属水素化物貯蔵器に熱を供給する本発明に係る方法の模式図である。 循環システムにおいて低温燃料電池に接続された金属水素化物貯蔵器に水素を充填するために当該金属水素化物貯蔵器から熱を除去する本発明に係る方法の模式図である。

図１には、本発明に係るシステムを模式的に示している。動作中、燃料電池４は、それが接続された冷却回路１に熱エネルギーを伝達する。この冷却回路は、パイプａを介して第１の熱交換器６に接続されており、ここで熱を作動媒体に伝達するか、または、金属水素化物貯蔵器が充填されている場合には作動媒体から熱を吸収する。作動媒体は、パイプｂを介して第１の熱交換器から圧縮機２に搬送され、圧縮機２は、燃料電池の動作中に作動媒体を圧縮可能であるか、または、金属水素化物貯蔵器の充填中に作動媒体を動かすことができる。作動媒体は、別のパイプｃを介して、圧縮機２から第２の熱交換器３に搬送される。ここで、燃料電池４の動作中および金属水素化物貯蔵器７の解放中に、熱が金属水素化物貯蔵器７に伝達される。金属水素化物貯蔵器７の充填中には、金属水素化物貯蔵器７から作動媒体に熱が伝達される。別のパイプｄが第２の熱交換器３から膨張機５（たとえば、タービン）まで延びており、ここで作動媒体が減圧され得る。別のパイプｅが膨張機５から延びて、第１の熱交換器６に戻る。

図２は、本発明に係るシステムによって、低温燃料電池４に接続された金属水素化物貯蔵器７に熱を供給する本発明に係る方法を示している。低温燃料電池４は、およそ７０〜８５℃で動作するが、生じる熱は第１の冷却回路１によって除去される。たとえば、第１の冷却回路においては、水／グリコール混合物を作動媒体として使用可能である。金属水素化物貯蔵器は、およそ１６０〜１８５℃で解放される。本発明に係るシステムにおいては、大気圧での沸点が６９℃のｎ−ヘキサンが作動媒体として用いられる。作動媒体は、第１の熱交換器６において、およそ１．３５ｂａｒの一定圧力下で８３℃の温度まで加熱され、その結果として、作動媒体の少なくとも一部が液体状態から気体状態へと変化する。後続の圧縮機２において、主に気体の作動媒体は、その圧力がおよそ１３ｂａｒ、温度がおよそ１７９℃まで上昇するように圧縮される。ここでは、熱力学的関係によって、作動媒体の一部が凝縮される。金属水素化物貯蔵器に接続され、好ましくは金属水素化物貯蔵器の周りのジャケットである第２の熱交換器３においては、不変圧力で蒸気部の別の部分が凝縮されるため、当該第２の熱交換器３を介して、熱が金属水素化物貯蔵器７に伝達される。圧力がおよそ１３ｂａｒ、温度がおよそ１７９℃の凝縮作動媒体は、第２の熱交換器３からタービン５に搬送され、そこで運動エネルギーの放出とともに減圧される。この際に、作動媒体の温度はおよそ７８℃まで低下し、圧力はおよそ１．３５ｂａｒまで低下する。作動媒体は、タービンから再循環して第１の熱交換器６に戻り、そこでもう一度、不変圧力で少なくとも部分的に気化される。

図３は、本発明に係るシステムによって、低温燃料電池４に接続された金属水素化物貯蔵器７から熱を除去する本発明に係る方法を示している。圧縮機は、作動媒体の流れを確保するためのポンプとしてのみ使用される。また、膨張機５は、動力を一切またはごくわずかしか吸収しない。第１の熱交換器６から圧縮機２まで搬送された作動媒体（この場合も、ｎ−ヘキサン）は、温度がおよそ９９．６℃、圧力がおよそ３ｂａｒの液相として第２の熱交換器３に搬送され、そこでシステムは、充填対象の金属水素化物貯蔵器から熱を受け取る。作動媒体は、およそ１０７．７℃の温度まで加熱され、３ｂａｒの一定圧力で少なくとも部分的に気化される。作動媒体は、およそ１０６．８℃まで冷却される膨張機５（たとえば、タービン）を介して第１の熱交換器６に供給され、およそ２．９ｂａｒ以上の不変圧力下でおよそ９９．６℃の温度まで冷却されるため、燃料電池の冷却回路に熱が伝達される。燃料電池の冷却回路に伝達された熱は、下流の熱交換器（放熱器、水冷器等）によって除去される。

１ 燃料電池の冷却回路
２ 圧縮機
３ 第２の熱交換器
４ 低温燃料電池
５ タービン
６ 第１の熱交換器
７ 金属水素化物貯蔵器
ａ パイプ
ｂ パイプ
ｃ パイプ
ｄ パイプ
ｅ パイプ

Claims (17)

1. （ａ）作動媒体を含む１つまたは複数のパイプを備えた熱交換回路と、
   （ｂ）前記熱交換回路に組み込まれ、燃料電池（４）の冷却回路（１）に熱結合された第１の熱交換器（６）と、
   （ｃ）前記第１の熱交換器（６）の下流で前記熱交換回路に組み込まれた圧縮機（２）と、
   （ｄ）前記圧縮機（２）の下流で前記熱交換回路に組み込まれ、金属水素化物貯蔵器（７）に熱結合された第２の熱交換器（３）と、
   （ｅ）前記第２の熱交換器（３）の下流で伝熱媒体回路に組み込まれた膨張機（５）と、
   （ｆ）前記膨張機（５）から前記第１の熱交換器（６）までの戻し導管と、
   を備えた循環システム。
2. 前記作動媒体が、大気圧（１．０１３ｂａｒ）での沸点が６０℃〜１３０℃の範囲の液体である、請求項１に記載の循環システム。
3. 前記作動媒体が、大気圧（１．０１３ｂａｒ）での沸点が６５℃〜１００℃の範囲の液体である、請求項２に記載の循環システム。
4. 前記作動媒体が、炭化水素である、請求項２または３に記載の循環システム。
5. 前記作動媒体が、ｎ−ヘキサン、ｎ−ヘプタン、またはこれらの混合物である、請求項４に記載の循環システム。
6. 前記低温燃料電池が、６０℃〜１３０℃の範囲の温度で動作可能である、請求項１から５のいずれか一項に記載の循環システム。
7. 前記低温燃料電池が７０℃〜１００℃の範囲の温度で動作可能である、請求項６に記載の循環システム。
8. 前記第１の熱交換器（６）が、蒸発器である、請求項１から７のいずれか一項に記載の循環システム。
9. 前記第１の熱交換器（６）が、プレート熱交換蒸発器である、請求項８に記載の循環システム。
10. 前記圧縮機（２）が、２相圧縮機である、請求項１から９のいずれか一項に記載の循環システム。
11. 前記第２の熱交換器（３）が、凝縮器である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の循環システム。
12. 前記第２の熱交換器（３）が、プレート熱交換凝縮器である、請求項８に記載の循環システム。
13. 前記膨張機（５）が、２相タービン膨張機である、請求項１から１２のいずれか一項に記載の循環システム。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の循環システムにおいて低温燃料電池に接続された金属水素化物貯蔵器に熱を供給する方法であって、
    （ａ）燃料電池（４）の冷却回路（１）に熱結合された第１の熱交換器（６）により、第１の段階において、液体作動媒体が一定圧力で少なくとも部分的に気化され、
    （ｂ）前記少なくとも部分的に気化された作動媒体が、圧縮機（２）に供給され、第２の段階において、前記作動媒体の圧力および温度が圧縮後に上昇するように圧縮され、
    （ｃ）前記作動媒体が、前記金属水素化物貯蔵器（７）に熱結合された第２の熱交換器（３）を通じて搬送され、第３の段階において、熱エネルギーの放出とともに一定圧力で少なくとも部分的に凝縮され、
    （ｄ）前記少なくとも部分的に凝縮された作動媒体が、膨張機（５）に供給され、第４の段階において、前記作動媒体の圧力および温度が減圧後に低くなるように減圧され、
    （ｅ）前記作動媒体が、前記第１の段階に再循環される、方法。
15. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の循環システムにおいて低温燃料電池に接続された金属水素化物貯蔵器から熱を除去する方法であって、
    （ａ）前記金属水素化物貯蔵器（７）と熱結合された第２の熱交換器（３）により、第１の段階において、前記金属水素化物貯蔵器からの熱の導入とともに作動媒体が一定圧力で少なくとも部分的に気化され、
    （ｂ）前記少なくとも部分的に気化された作動媒体が、膨張機（５）を通じて搬送され、第２の段階において、前記少なくとも部分的に凝縮された作動媒体の圧力および／または温度が低くなるように任意選択として減圧され、
    （ｃ）前記作動媒体が、燃料電池（４）の冷却回路（１）と熱結合された第１の熱交換器（６）に供給され、第３の段階において、熱の放出とともに一定圧力で少なくとも部分的に凝縮され、
    （ｄ）前記少なくとも部分的に凝縮された作動媒体が、前記循環システムにおいて前記作動媒体を移動させるように動作する圧縮機（２）に供給され、
    （ｅ）前記作動媒体が、前記第１の段階に再循環される、方法。
16. 前記燃料電池（４）の前記冷却回路（１）が、前記第１の熱交換器の下流に位置付けられて熱を除去する付加的な手段を有する、請求項１から１３のいずれか一項に記載の循環システム。
17. 熱を除去する前記付加的な手段が、放熱器の中から選択される、請求項１６に記載の循環システム。

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