JP2021513720A - 燃料電池及び可逆熱力学を結合する、エネルギーを生産するアセンブリ - Google Patents
燃料電池及び可逆熱力学を結合する、エネルギーを生産するアセンブリ Download PDFInfo
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Abstract
Description
ポリマ電解質膜燃料電池(PEMFC)の名称の下でもプロトン交換膜燃料電池が既知である。PEMFCは、低圧力及び温度の範囲において機能することを可能にする。それらは、特定のポリマ電解質膜を含む。
H2→2H++2e−
によって説明される。
4H++4e−+O2→2H2O
−電池に入力された熱エネルギーによって燃料電池を起動するステップと、
−電流及び熱エネルギーを生成する燃料電池を機能させるステップと、
を含み、
起動するステップの間、可逆熱力学システムは、第1の熱伝達流体を通じて熱エネルギーを燃料電池に入力し、機能させるステップの間、当該可逆熱力学システムは、第1の熱伝達流体を通じて燃料電池によって生産された熱エネルギーを退避させ、第2の熱伝達流体を通じてそれを機械エネルギーに変換する、ことを特徴とする方法に関する。
○有利なことに、流体電池回路は、閉回路である。
○有利なことに、流体熱力学回路は、閉回路である。閉回路によって、これは、回路がループを形成し、第1の熱伝達流体及び第2の熱伝達流体は、有利なことに、継続的に循環する。
○有利なことに、可逆熱力学システムは、第1の熱交換器に接続された、好ましくは、電気が供給される、熱エネルギーを生産する少なくとも1つのモジュールを含む。
○有利なことに、熱エネルギーを生産するモジュールは、熱エネルギーを生産するモジュールによって生産された熱エネルギーを流体電池回路と交換するように、流体熱力学回路を通じて第1の交換器に流体的に及び/または熱的に接続される。
○有利なことに、可逆熱力学システム、有利なことにその1つのみが、蒸気機械圧縮サイクルの形式において有機ランキンサイクルモジュール及び熱ポンプを関連付ける。
○有利なことに、熱ポンプは、流体熱力学回路上で第1の交換器及び第2の交換器と直列して配列された圧縮機及び減速機を含む。
○有利なことに、有機ランキンサイクルは、流体熱力学回路上で第1の交換器及び第2の交換器と直列して配列された、流体回路内で第2の熱伝達流体を循環させることが意図された、タービン及びポンプを含む。
○有利なことに、圧縮機は、流体熱力学回路上でタービンに並列して配列される。
○有利なことに、ポンプは、流体熱力学回路の減速機に並列して配列される。
○有利なことに、流体熱力学回路は、第1の交換器、減速機、第2の交換器、圧縮機、及び再度第1の交換器内で連続して第2の熱伝達流体が循環するように、第1の交換器、減速機、第2の交換器、圧縮機、及び再度第1の交換器に連続して流体的に接続する熱ポンプ回路を含む。
○有利なことに、流体熱力学回路は、第1の交換器、タービン、第2の交換器、ポンプ、及び再度第1の交換器内で連続して第2の熱伝達流体が循環するように、第1の交換器、タービン、第2の交換器、ポンプ、及び再度第1の交換器に連続して流体的に接続する有機ランキンサイクルモジュールを含む。
○有利なことに、アセンブリは、タービンまたは圧縮機、及びポンプまたは減速機に代替的に第2の熱伝達流体を穿刺する部材を含む。
○有利なことに、タービンは、交流機または圧縮機またはポンプに接続される。
○有利なことに、圧縮機は、電力供給機に接続される。
○有利なことに、可逆熱力学システムは、可逆スターリングエンジンを含む。
○有利なことに、スターリングエンジンは、熱ポンプなど、代替的に、熱エネルギーから機械エネルギーを生産し、機械エネルギーから熱エネルギーを生産するように構成される。
○有利なことに、流体熱力学回路は、第1のループ及び第2のループを含み、第1のループは、第1の交換器とスターリングエンジンの温熱区域との間の第2の熱伝達流体の循環を可能にするように構成されたポンプを含み、第2のループは、第2の交換器とスターリングエンジンの冷熱区域との間の第2の熱伝達流体の循環を可能にするように構成されたポンプを含む。
○有利なことに、アセンブリは、第1のループの第2の熱伝達流体とスターリングエンジンの温熱区域の周りで循環するように構成された中間熱伝達流体との間で熱エネルギーを交換するように構成された第1のループ上に配列された第3の熱交換器、及び第2のループの第2の熱伝達流体とスターリングエンジンの冷熱区域の周りで循環するように構成された熱伝達流体との間で熱エネルギーを交換するように構成された第2のループ上に配列された第4の熱交換器を含む。
○有利なことに、スターリングエンジンの少なくとも1つのピストン、好ましくは2つのピストンに接続されたホイールを含む。
○有利なことに、燃料電池は、高温プロトン交換膜タイプまたはHT−PEMFCタイプの燃料電池である。
○有利なことに、アセンブリは、燃料電池によって生産された電子の流れから電気を生産するように構成された燃料電池と関連付けられた、エネルギーを生産するモジュールを含む。
●有利なことに、起動するステップの間、第1の熱交換器は、流体熱力学回路内で循環する第2の熱伝達流体及び流体電池回路内で循環する第1の熱伝達流体から熱エネルギーを伝導する。
●有利なことに、起動するステップの間、第2の熱交換器は、外部源から流体熱力学回路内で循環する第2の熱伝達流体に熱エネルギーを伝導する。
●有利なことに、熱力学システムは、燃料電池を機能させるステップの間に機能し、生産された熱を電気エネルギーに変換するように構成された有機ランキンサイクルモジュールを含み、有機ランキンサイクルモジュールは、燃料電池を起動するステップの間に機能する熱ポンプと関連付けられ、燃料電池に熱エネルギーを供給するように構成される。
●有利なことに、燃料電池を起動するステップの間、第2の熱伝達流体は、第2の熱伝達流体を循環させる圧縮機を連続して通過することによって流体熱力学回路内で循環し、次いで、第2の熱伝達流体は、第1の交換器に移り、第2の熱伝達流体は、凝縮され、燃料電池を起動するために第1の熱伝達流体に熱エネルギーを伝達し、次いで、減速機を通過し、第2の熱伝達流体は、圧力降下を受け、次いで、第2の交換器を通過し、第2の熱伝達流体は、温熱源から熱エネルギーを回復させることによって蒸発される。
●有利なことに、燃料電池を機能させるステップの間、第2の熱伝達流体は、連続して、第1の交換器(3)を通過し、それは、流体電池回路内で循環する第1の熱伝達流体から熱エネルギーを回復させることによって気化され、次いで、タービンを通過し、第2の熱伝達流体は、拡大し、機械エネルギーの生産を可能にし、次いで、第2の交換器を通過し、第2の熱伝達流体は、冷熱源と接触して凝縮され、次いで、ポンプを通過することによって流体熱力学回路内で循環し、第2の熱伝達流体は、第1の交換器に送られるよう加圧される。
●有利なことに、流体熱力学回路は、ポンプと第1の交換器の入口において第2の熱伝達流体の温度を上昇させるように構成された第1の交換器との間に配列された蓄熱器を含む。
●有利なことに、熱力学システムは、燃料電池を起動するステップの間に燃料電池に熱エネルギーを供給するように構成され、燃料電池を機能させるステップの間に生産された熱を機械エネルギーに変換するように構成された可逆スターリングエンジンを含む。
●有利なことに、起動するステップの間、第2の熱伝達流体は、外部源との交換によって第2の交換器のレベルにおいて熱エネルギーを回復させ、次いで、スターリングエンジン内で循環する作動流体との交換によってスターリングエンジンの冷熱区域に熱エネルギーを伝導し、ホイールによって作動されるピストンは、温熱区域内で作動流体を移動させ、第2の熱伝達流体は、第1の交換器内で第1の熱伝達流体に伝達する、スターリングエンジンの温熱区域の作動流体との交換によって熱エネルギーを回復させる。
●有利なことに、機能させるステップの間、第2の熱伝達流体は、第1の熱伝達流体との交換によって第1の交換器のレベルにおいて熱エネルギーを回復させ、次いで、機械エネルギーを生産し、冷熱区域内で作動流体を移動させるエンジンのピストンを作動させるように、スターリングエンジン内で循環する作動流体との交換によってスターリングエンジンの温熱区域に熱エネルギーを伝導し、第2の熱伝達流体は、スターリングエンジンの冷熱区域の作動流体との交換によって熱エネルギーを回復させる。
2 流体電池回路
3 第1の交換器
4 第2の交換器
5 圧縮機
6 減速機
7 ポンプ
8 タービン
9 源
10 電気を生産するモジュール
11 交流機
12 電力供給機
13a 並列分岐
13b 並列分岐
14a 並列分岐
14b 並列分岐
15 スターリングエンジン
16 第3の交換器
17 第4の交換器
18 流体熱力学回路
18a 第1のループ
18b 第2のループ
19 3方向弁
20 温熱区域
21 冷熱区域
22 水バラスト
23 加熱炉または加熱装置
24 作動流体回路
25a ピストン
25b ピストン
26 ホイール
27 温熱区域及び冷熱区域との間の連絡
101 第1の交換器内の第1の熱伝達流体入口
102 第1の交換器の第1の熱伝達流体出口
103 第1の交換器内の第2の熱伝達流体入口
104 第1の交換器の第2の熱伝達流体出口
105 減速機内の第2の熱伝達流体入口
106 減速機の第2の熱伝達流体出口
107 第2の交換器内の第2の熱伝達流体入口
108 第2の交換器の第2の熱伝達出口
109 圧縮機内の第2の熱伝達入口
110 圧縮機の第2の熱伝達流体出口
111 第2の交換器内の源入口
112 第2の交換器の源出口
113 電池の第1の熱伝達流体の出口
114 電池内の第1の熱伝達流体の入口
201 第1の交換器内の第1の熱伝達流体入口
202 第1の交換器の第1の熱伝達流体出口
203 第1の交換器内の第2の熱伝達流体入口
204 第1の交換器の第2の熱伝達流体出口
205 タービン内の第2の熱伝達流体入口
206 タービン内の第2の熱伝達流体出口
207 第2の交換器内の第2の熱伝達流体入口
208 第2の交換器の第2の熱伝達流体出口
209 ポンプ内の第2の熱伝達流体入口
210 ポンプの第2の熱伝達流体出口
211 第2の交換器内の源入口
212 第2の交換器の源出口
213 電池の第1の熱伝達流体の出口
214 電池内の第1の熱伝達流体の入口
301 第1の交換器内の第1の熱伝達流体入口
302 第1の交換器の第1の熱伝達流体出口
303 第1の交換器内の第2の熱伝達流体入口
304 第1の交換器の第2の熱伝達流体出口
305 ポンプ内の第2の熱伝達流体入口
306 ポンプの第2の熱伝達流体出口
307 第3の交換器内の第2の熱伝達流体入口
308 第3の交換器の第2の熱伝達流体出口
309 スターリングエンジンの作動流体出口
310 第3の交換器内の作動流体入口
311 第3の交換器の作動流体出口
312 第4の交換器内の作動流体入口
313 第4の交換器の作動流体出口
314 スターリングエンジンの作動流体入口
315 第4の交換器内の第2の熱伝達流体入口
316 第4の交換器の第2の熱伝達流体出口
317 ポンプ内の第2の熱伝達流体入口
318 ポンプの第2の熱伝達流体出口
319 第2の交換器内の第2の熱伝達流体入口
320 第2の交換器の第2の熱伝達流体出口
321 第2の交換器内の源入口
322 第2の交換器の源出口
323 接続分岐
324 接続分岐
325 電池の第1の熱伝達流体の出口
326 電池内の第1の熱伝達流体の入口
327 温熱区域の周りの中間熱伝達流体入口
328 冷熱区域の中間熱伝達流体出口
401 第1の交換器内の第1の熱伝達流体入口
402 第1の交換器の第1の熱伝達流体出口
403 第1の交換器内の第2の熱伝達流体入口
404 第1の交換器の第2の熱伝達流体出口
405 第3の交換器内の第2の熱伝達流体入口
406 第3の交換器の第2の熱伝達流体出口
407 ポンプ内の第2の熱伝達流体入口
408 ポンプの第2の熱伝達流体出口
409 スターリングエンジンの作動流体出口
410 第4の交換器内の作動流体入口
411 第4の交換器の作動流体出口
412 第3の交換器内の作動流体入口
413 第3の交換器の作動流体出口
414 スターリングエンジンの作動流体入口
415 第4の交換器内の第2の熱伝達流体入口
416 第4の交換器の第2の熱伝達流体出口
417 第2の交換器内の第2の熱伝達流体入口
418 第2の交換器の第2の熱伝達流体出口
419 ポンプ内の第2の熱伝達流体入口
420 ポンプの第2の熱伝達流体出口
421 第2の交換器内の源入口
422 第2の交換器の源出口
423 接続分岐
424 接続分岐
425 電池の第1の熱伝達流体の出口
426 電池内の第1の熱伝達流体の入口
427 温熱区域の中間熱伝達流体の出口
428 冷熱区域の周りの中間熱伝達流体の入口
Claims (24)
- 燃料電池(1)、及び第1の熱伝達流体を受けるように構成され、少なくとも部分的に前記燃料電池(1)の周りに配列された流体電池回路(2)を含む、エネルギーを生産するアセンブリであって、前記アセンブリは、代替的に、
−前記燃料電池(1)によって生産された熱エネルギーを退避させ、前記第1の熱伝達流体を通じてそれを機械エネルギーに変換し、
−前記第1の熱伝達流体を通じて熱エネルギーを前記燃料電池(1)に入力する、
ように構成された可逆熱力学システムを含み、
前記熱力学システムは、
−第2の熱伝達流体を受けるように構成された流体熱力学回路(18)と、
−前記流体熱力学回路(18)と前記流体電池回路(2)との間で熱エネルギーを交換することが意図された第1の交換器(3)と、
−前記流体熱力学回路(18)と外部源との間で熱エネルギーを交換することが意図された第2の交換器(4)と、
を含む、ことを特徴とする、前記アセンブリ。 - 前記可逆熱力学システムは、前記第1の熱交換器(3)に接続された、熱エネルギーを生産する少なくとも1つのモジュールを含む、先行請求項に記載のアセンブリ。
- 熱エネルギーを生産する前記モジュールは、熱エネルギーを生産する前記モジュールによって生産された前記熱エネルギーを前記流体電池回路(2)に交換するように、前記流体熱力学回路(18)を通じて前記第1の交換器(3)に流体的に及び/または熱的に接続される、2つの先行請求項のいずれか1項に記載のアセンブリ。
- 前記可逆熱力学システムは、有機ランキンサイクルモジュール及び熱ポンプを関連付けるシステムを含む、先行請求項のいずれか1項に記載のアセンブリ。
- 前記熱ポンプは、前記第1の交換器(3)及び前記第2の交換器(4)と直列して配列された圧縮機(5)及び減速機(6)を含む、先行請求項に記載のアセンブリ。
- 前記有機ランキンサイクルモジュールは、前記流体熱力学回路(18)内で前記第2の熱伝達流体を循環させることが意図されたタービン(8)及び少なくとも1つのポンプ(7)を含み、前記タービン(8)及び前記ポンプ(7)は、前記第1の交換器(3)及び前記第2の交換器(4)と直列して配列される、2つの先行請求項のいずれか1項に記載のアセンブリ。
- 前記圧縮機(5)は、前記タービン(8)と並列して配列され、前記ポンプ(7)は、前記減速機(6)と並列して配列される、2つの先行請求項に記載のアセンブリ。
- 前記流体熱力学回路(18)は、前記第1の交換器(3)、前記減速機(6)、前記第2の交換器(4)、前記圧縮機(5)、及び再度前記第1の交換器(3)に流体的に接続する熱ポンプ回路を含む、先行請求項に記載のアセンブリ。
- 前記流体熱力学回路(18)は、前記第1の交換器(3)、前記タービン(8)、前記第2の交換器(4)、前記ポンプ(7)及び再度前記第1の交換器(3)に連続して流体的に接続する有機ランキンサイクルモジュール回路を含む、2つの先行請求項のいずれか1項に記載のアセンブリ。
- 代替的に、前記タービン(8)または前記圧縮機(5)、及び前記ポンプ(7)または前記減速機(6)に前記第2の熱伝達流体を穿刺する部材を含む、3つの先行請求項のいずれか1項に記載のアセンブリ。
- 前記可逆熱力学システムは、代替的に、熱エネルギーから機械エネルギーを生産し、機械エネルギーから熱エネルギーを生産するように構成された可逆スターリングエンジン(15)を含む、請求項1に記載のアセンブリ。
- 前記流体熱力学回路(18)は、第1のループ(18a)及び第2のループ(18b)を含み、前記第1のループ(18a)は、前記第1の交換器(3)と前記スターリングエンジン(15)の温熱区域(20)との間の前記第2の熱伝達流体の循環を可能にするように構成され、前記第2のループ(18b)は、前記第2の交換器(4)と前記スターリングエンジン(15)の冷熱区域(21)との間の前記第2の熱伝達流体の循環を可能にするように構成される、先行請求項に記載のアセンブリ。
- 前記第1のループ(18a)の前記第2の熱伝達流体と前記スターリングエンジン(15)の前記温熱区域(20)の周りで循環するように構成された中間熱伝達流体との間で熱エネルギーを交換するように構成された、前記第1のループ上に配列された第3の熱交換器(16)、及び前記第2のループ(18b)の前記第2の熱伝達流体と前記スターリングエンジン(15)の前記冷熱区域(21)の周りで循環するように構成された前記中間熱伝達流体との間で熱エネルギーを交換するように構成された、前記第2のループ(18b)上に配列された第4の熱交換器(17)を含む、先行請求項に記載のアセンブリ。
- 前記燃料電池(1)は、高温プロトン交換膜タイプの燃料電池である、先行請求項のいずれか1項に記載のアセンブリ。
- 前記燃料電池(1)によって生産された電子の流れから電気を生産するように構成された、前記燃料電池(1)と関連付けられたエネルギーを生産するモジュールを含む、先行請求項のいずれか1項に記載のアセンブリ。
- 先行請求項のいずれか1項に記載のエネルギーを生産するアセンブリによってエネルギーを生産する方法であって、以下のステップ、
−前記電池への熱エネルギーの入力によって前記燃料電池(1)を起動するステップと、
−電流及び熱エネルギーを生成する前記燃料電池(1)を機能させるステップと、
を含み、
前記起動するステップの間、可逆熱力学システムは、第1の熱伝達流体を通じて熱エネルギーを前記燃料電池(1)に入力し、前記可逆熱力学システムを機能させる前記ステップは、前記第1の熱伝達流体を通じて前記燃料電池(1)によって生産された前記熱エネルギーを退避させ、第2の熱伝達流体を通じてそれを機械エネルギーに変換する、
ことを特徴とする、前記方法。 - 前記起動するステップの間、第1の熱交換器(3)は、流体熱力学回路(18)内で循環する第2の熱伝達流体から流体電池回路(2)内で循環する第1の熱伝達流体に熱エネルギーを伝導する、先行請求項に記載の方法。
- 前記起動するステップの間、第2の熱交換器(4)は、外部源から前記流体熱力学回路(18)内で循環する前記第2の熱伝達流体に熱エネルギーを伝導する、2つの先行請求項のいずれか1項に記載の方法。
- 前記熱力学システムは、前記燃料電池(1)を機能させる前記ステップの間に機能し、生産された熱を電気エネルギーに変換するように構成された有機ランキンサイクルモジュールを含み、前記有機ランキンサイクルモジュールは、前記燃料電池(1)を起動する前記ステップの間に機能し、熱エネルギーを前記燃料電池(1)に供給するように構成された熱ポンプと関連付けられる、先行請求項に記載の方法。
- 前記燃料電池(1)を起動する前記ステップの間、前記第2の熱伝達流体は、前記第2の熱伝達流体を循環させる前記圧縮機(5)を連続して通過することによって、前記流体熱力学回路(18)内で循環し、次いで、前記第2の熱伝達流体は、前記第1の交換器(3)に移り、前記第2の熱伝達流体は、凝縮され、前記燃料電池(1)の起動のために熱エネルギーを前記第1の熱伝達流体に伝達し、次いで、前記減速機(6)を通過し、前記第2の熱伝達流体は、圧力降下を受け、次いで、前記第2の交換器(4)を通過し、前記第2の熱伝達流体は、温熱源から熱エネルギーを回復させることによって蒸発される、先行請求項に記載の方法。
- 前記燃料電池(1)を機能させる前記ステップの間、前記第2の熱伝達流体は、連続して、前記第1の交換器(3)を通過し、それは、前記流体電池回路(2)内で循環する前記第1の熱伝達流体から熱エネルギーを回復させることによって気化され、次いで、タービン(8)を通過し、前記第2の熱伝達流体は、拡大し、機械エネルギーの生産を可能にし、次いで、前記第2の交換器(4)を通過し、前記第2の熱伝達流体は、冷熱源と接触して凝縮され、次いで、ポンプ(7)を通過し、前記第2の熱伝達流体は、前記第1の交換器(3)に送られるよう加圧されることによって前記流体熱力学回路(18)内で循環し、2つの先行請求項のいずれか1項に記載の方法。
- 前記熱力学システムは、前記燃料電池(1)を起動する前記ステップの間に熱エネルギーを前記燃料電池(1)に供給するように構成され、前記燃料電池(1)を機能させる前記ステップの間に生産された熱を機械エネルギーに変換するように構成された可逆スターリングエンジン(15)を含む、請求項16に記載の方法。
- 前記起動するステップの間、前記第2の熱伝達流体は、外部源(9)との交換によって前記第2の交換器(4)のレベルにおいて熱エネルギーを回復させ、次いで、前記スターリングエンジン(15)内で循環する作動流体との交換によって、熱エネルギーを前記スターリングエンジン(15)の冷熱区域(21)に伝導し、ホイール(26)によって作動されるピストン(25)は、前記温熱区域(20)内で前記作動流体を移動させ、前記第2の熱伝達流体は、前記第1の交換器(3)内で前記第1の熱伝達流体を伝達する、前記スターリングエンジン(15)の前記温熱区域(20)の前記作動流体との交換によって熱エネルギーを回復させる、先行請求項に記載の方法。
- 機能させる前記ステップの間、前記第2の熱伝達流体は、前記第1の熱伝達流体との交換によって前記第1の交換器(3)のレベルにおいて熱エネルギーを回復させ、次いで、機械エネルギーを生産し、前記冷熱区域(21)内で前記作動流体を移動させる前記エンジンのピストン(25)を作動させるように、前記スターリングエンジン(15)内で循環する作動流体との交換によって、熱エネルギーを前記スターリングエンジン(15)の温熱区域(20)に伝導し、前記第2の熱伝達流体は、前記スターリングエンジン(15)の前記冷熱区域(21)の前記作動流体との交換によって熱エネルギーを回復させる、先行請求項に記載の方法。
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