JP2022549426A - 空気供給システム - Google Patents

Abstract

少なくとも２つの送風機と少なくとも２つの連絡弁とを備える空気供給システムであって、１つの送風機は、対応する連絡弁を介して主空気通路に接続されており、少なくとも１つの他の送風機は、少なくとも１つの他の連絡弁を介して、改質器空気通路およびスタック空気通路にそれぞれ接続されている、空気供給システム。少なくとも２つの連絡弁を接続するために、少なくとも２つの送風機が設けられている。

Description

本発明は、燃料電池の技術分野に関し、より具体的には、空気供給システムに関する。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、燃料および酸化剤に蓄積された化学エネルギーを効率的かつ環境に優しい態様で電気エネルギーに直接変換する、完全固体の化学的発電デバイスである。

ＳＯＦＣは、主空気通路、改質器空気通路、およびスタック空気通路に空気を供給するために、送風機を使用する必要がある。３つの通路に空気が供給されるとき（図１を参照）、１つの送風機が、３つのバタフライ弁によって３つの通路を接続するために使用される。結果として、３つのバタフライ弁すべてが開かれていない可能性があるとき、送風機にかかる過度の背圧の故に送風機が損傷する可能性がある。

本発明は、１つの送風機が３つのバタフライ弁によって３つの通路に接続されている場合、３つのバタフライ弁すべてが開かれていない可能性があるとき、送風機にかかる過度の背圧の故に送風機が損傷するという問題に対処するための空気供給システムを提供する。

本発明は、空気供給システムであって、少なくとも２つの送風機と、少なくとも２つの連絡弁とを備え、１つの送風機は、対応する連絡弁を介して主空気通路に接続されており、少なくとも１つの他の送風機は、少なくとも１つの連絡弁を介して、改質器空気通路およびスタック空気通路にそれぞれ接続されている、空気供給システムを提供する。

送風機の数は２つとすることができ、連絡弁の数は２つとすることができ、連絡弁は、逆止弁および三方弁を含む。一方の送風機は、逆止弁を介して主空気通路に接続することができ、他方の送風機は、三方弁を介して改質器空気通路およびスタック空気通路にそれぞれ接続することができる。

逆止弁の出力端は、改質器の入力端に接続することができ、三方弁の出力端は、改質器の入力端および固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックの入力端にそれぞれ接続することができる。

送風機の数は３つ、連絡弁の数は３つとすることができ、連絡弁は、３つの逆止弁を含むことができる。他の２つの送風機のうちの一方は、逆止弁のうちの１つを介して改質器空気通路に接続することができ、他方は、別の逆止弁を介してスタック空気通路に接続することができる。

２つの逆止弁の出力端は、改質器の入力端に接続することができ、第３の逆止弁の出力端は、ＳＯＦＣスタックの入力端に接続することができる。

３つの送風機の流量、体積、および電力消費は、異なることができる。

システムは、エアフィルタをさらに備えることができ、エアフィルタの出力端は、送風機の入力端に接続することができる。

システムは、熱交換器をさらに備えることができる。熱交換器の入力端は、主空気通路を接続する逆止弁の出力端に接続することができ、熱交換器の出力端は、改質器の入力端に接続することができる。

システムは、バーナーをさらに備えることができる。バーナーの入力端は、ＳＯＦＣスタックの出力端に接続することができ、バーナーの出力端は、熱交換器の入力端に接続することができる。

本発明は、空気供給システムを提供し、空気供給システムは、少なくとも２つの送風機と少なくとも２つの連絡弁とを備え、１つの送風機は、対応する連絡弁を介して主空気通路に接続され、少なくとも１つの他の送風機は、少なくとも１つの連絡弁を介して、改質器空気通路およびスタック空気通路にそれぞれ接続されている。少なくとも２つの連絡弁を接続するために、少なくとも２つの送風機が設けられる。３つのバタフライ弁を接続する１つの送風機と比較して、少なくとも２つの送風機がより低い背圧を受けるとき、送風機の損傷確率は低下する。

説明に使用される図面を以下に簡単に説明する。以下の説明の図面は、本発明のいくつかの実施形態だけである。

周知の空気供給システムの適用シナリオ図である。 空気供給システムの構造概略図である。 別の空気供給システムの構造概略図である。

本発明の実施形態を、図面と併せて以下に説明する。説明される実施形態は、本発明の実施形態のいくつかにすぎず、すべてではない。

本発明の一実施形態は、空気供給システムを提供する。空気供給システムは、燃料電池モジュール（ＦＣＭ）に空気をそれぞれ供給するために使用され、主回路空気通路、Ｒｅｆ（改質器）空気通路、およびＳｔｋ（スタック）空気通路を含む。

図２を参照すると、主空気通路は、改質器の改質反応のための熱および酸素を供給するために、ＦＣＭの改質器に接続されている。

Ｒｅｆ空気通路は、改質反応率を制御するために、ＦＣＭの改質器に接続されている。例えば、改質器の温度（例えば、４５０℃）を制御することによって、改質器の改質反応率（例えば、３０％）を制御する。

Ｓｔｋ空気通路は、スタックの燃料改質率を最大値（例えば、改質率は７０％である）に到達させるべく、Ｓｔｋ入口に入る前に温度を（例えば、５８０℃に）調整するために、ＦＣＭのＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）に接続されている。

本発明の一実施形態は、図２および図３を参照すると、少なくとも２つの送風機と、少なくとも２つの連絡弁とを備える。１つの送風機は、対応する連絡弁を介して主空気通路に接続され、少なくとも１つの他の送風機は、少なくとも１つの連絡弁を介して、改質器空気通路およびスタック空気通路にそれぞれ接続されている。実際の使用では、連絡弁は、逆止弁または三方弁とすることができる。逆止弁は、空気の逆流を防ぐために使用することができる。

図２は、２つの送風機と２つの連絡弁との構造図を与える。図２から、送風機１は、逆止弁１を介して主空気通路に接続され、送風機２は、三方弁を介してＲｅｆ空気通路およびＳｔｋ空気通路（Ｓｔｋ前空気通路）に接続されていることが分かる。逆止弁の出力端は、改質器の入力端に接続され、三方弁の出力端は、改質器の入力端および固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックの入力端にそれぞれ接続されている。

ＦＣＭのほとんどの熱が主空気通路によって提供されるという事実の故に、送風機１は、主空気通路を接続するために設けられ、一方、送風機２は、Ｒｅｆ空気通路およびＳｔｋ空気通路を接続するために設けられており、Ｒｅｆ空気通路とＳｔｋ空気通路とは、温度調節のためにのみ使用され、したがって、Ｒｅｆ空気通路とＳｔｋ空気通路とは同じ送風機２を使用し、主空気通路は別個の送風機１を使用する。

図３は、３つの送風機と３つの連絡弁との構造図を与える。図３から、送風機１は、逆止弁１を介して主空気通路に接続され、送風機２は、逆止弁によってＲｅｆ空気通路に接続され、送風機３は、逆止弁によってＳｔｋ空気通路（Ｓｔｋ前空気通路）に接続されていることが分かる。つまり、あらゆる通路が正確な空気流量調整を実現することができるように、１つの通路に１つの送風機が接続されている。２つの逆止弁の出力端は、改質器の入力端に接続され、第３の逆止弁の出力端は、ＳＯＦＣスタックの入力端に接続されている。

３つの送風機が利用されるとき、３つの送風機の流量、体積、および電力消費は異なる。主送風機は、約１００ｇ／秒の流量範囲、約１．８ＫＷの電力消費、およびＡ４用紙と等価である体積を有する。他の２つのバイパス送風機の各々は、約２０ｇ／秒の流量、たった数十ワットほどの電力、およびＡ４用紙の半分に等価である体積を有する。

上記の２つのシステムは、構造的に配置され、操作が容易である。空気供給システムは、エアフィルタをさらに含み、エアフィルタの出力端は、送風機の入力端に接続され、エアフィルタは、清浄な空気を供給するために使用される。例えば３つの送風機があると、吸気口からの空気が、エアフィルタを介して、異なる流量、体積、および電力消費を有する３つの送風機にそれぞれ流入するとき。システムが早い段階でパージされると、３つの送風機は、同時に動作する。逆止弁の機能は、システム内の空気が反対方向に逆流するのを防ぐことである。加熱フェーズでは、送風機１は、特定の空気流量および圧力（例えば、１５０ｇ／秒の空気流量および３２ｋＰａの各送風機の出口での圧力）に従って、ＦＣＭに空気を継続的に供給する。送風機２および送風機３は、待機状態にある。スタックの加熱速度が速すぎてシステムの加熱要求を満たさないとき、送風機２および送風機３は作業に参加することを要求され、それにより、スタックの加熱速度を低下させ、スタックの入口と出口との間の温度差範囲が許容範囲内にあることが保証される。

温度が定常状態にあるとき、スタックの入口および出口の温度は、定常状態になっている。このとき、送風機１は、空気流量（例えば、６５ｇ／秒）および圧力（例えば、出口圧力：８ｋＰａ）を低下させて、スタックに空気を継続的に供給する。送風機２および送風機３は、ＳＯＦＣスタックの出口温度（例えば、スタックの出口温度：５８０±５℃）のフィードバックに従ってオンおよびオフを実行する。

空気供給システムは、熱交換器をさらに備え、熱交換器の入力端は、主空気通路を接続する逆止弁の出力端に接続されている。熱交換器の出力端は、改質器の入力端に接続されている。熱交換器は、改質器の温度要求を満たすように空気を加熱するために使用される。

空気供給システムは、さらにバーナーを備える。バーナーの入力端は、ＳＯＦＣスタックの出力端に接続され、バーナーの出力端は、熱交換器の入力端に接続されている。バーナーは、熱交換器に高温熱源を提供する。

この実施形態では、３つの送風機が使用されている。また、送風機が不足している場合は、２つの送風機を適用することができる。すべてのバタフライ弁を閉じた後、送風機を始動した場合に過度の背圧の故に送風機を損傷させる危険性を防ぐように制御するために、３つの送風機を適用することができる。送風機のあらゆる始動の前に、３つの空気通路の逆止弁を開くかどうかを検査する必要がある。３つの送風機を使用して３つの通路からの空気をそれぞれ制御し、それにより、あらゆる経路の質量流量、温度、および湿度を正確に制御し、逆止弁を長期間使用した後の制御精度低下を少なくする。スタックの出口温度および入口空気質量流量を制御するという要求を実現することにより、混合空気が、スタックに流れて完全に反応し、システム効率が改善される。

３つの送風機は、３つの逆止弁を接続するために設けられ（システム内の逆止弁の機能は、システム内の空気が送風機に逆流するのを防ぐことである）、１つの送風機が３つのバタフライ弁に接続されている状態（バタフライ弁の機能は、送風機の出口での流量の分布を制御することであり、バタフライ弁の開放精度は、流量分布精度に影響する）と比較して、次の利点を有する：
１．流量を分配するためにバタフライ弁が必要ない。
２．バタフライ弁が開いていないときに過度の背圧によって送風機が損傷する状態が減少する。
３．流量分布精度がより高い。
４．送風機が流量をリアルタイムでフィードバックする場合、制御に好都合である。
５．最大のプロセス要求が満たされる。

２つの送風機が使用されるとき、１つの送風機は、主空気通路に必要であり、別の送風機は、三方ソレノイド弁（三方弁）によってＳｔｋおよびＲｅｆの前に空気流量を分配する。三方ソレノイド弁は、バタフライ弁よりも高い制御精度を有する。また、３つの送風機と比較して、２つの送風機は、送風機を損傷させる危険性の故に、三方ソレノイド弁が正常に連絡しているかどうかを事前に検査する必要性を有する。そうしないと、送風機が始動したときに、三方弁は、必要に応じて流量を分配できず、閉じた状態にある。このようにして、送風機は、過度の背圧の故に損傷する。

この実施形態では、空気供給システムは、少なくとも２つの送風機と、少なくとも２つの連絡弁とを備える。１つの送風機は、対応する連絡弁を介して主空気通路に接続され、他の少なくとも１つは、少なくとも１つの連絡弁を介して改質器空気通路およびスタック空気通路にそれぞれ接続されている。少なくとも２つの連絡弁を接続するために、少なくとも２つの送風機が設けられている。３つのバタフライ弁を接続する１つの送風機と比較して、少なくとも２つの送風機がより少ない背圧を受けるとき、送風機の損傷確率は低下する。

３つの送風機は、ＦＣＭの温度調整を実行するために適用され、あらゆるラインの空気流量をリアルタイムで効果的に調整することができ、したがって、ＦＣＭは加熱プロセスで安定して動作することができる。

これらの実施形態に対する様々な改変が明らかになるであろう。本明細書で定義されている一般原理は、本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態で実装することができる。

Claims (9)

1. 空気供給システムであって、
   少なくとも２つの送風機と、少なくとも２つの連絡弁と、を備え、
   １つの送風機は、対応する連絡弁を介して主空気通路に接続されており、
   少なくとも１つの他の送風機は、少なくとも１つの連絡弁を介して、改質器空気通路およびスタック空気通路にそれぞれ接続されている、空気供給システム。
2. ２つの送風機と、２つの連絡弁と、を備え、
   前記連絡弁は、逆止弁および三方弁を含み、
   一方の送風機は、前記逆止弁を介して前記主空気通路に接続され、前記他方の送風機は、前記三方弁を介して前記改質器空気通路および前記スタック空気通路にそれぞれ接続されている、請求項１に記載の空気供給システム。
3. 前記逆止弁の出力端が、前記改質器の入力端に接続されており、
   前記三方弁の出力端が、前記改質器の前記入力端と固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックの入力端とにそれぞれ接続されている、請求項２に記載の空気供給システム。
4. ３つの送風機と、３つの連絡弁と、を備え、
   前記連絡弁は、３つの逆止弁を含み、
   前記送風機のうちの１つは、１つの逆止弁を介して前記改質器空気通路に接続され、別の送風機は、別の逆止弁を介して前記スタック空気通路に接続されている、請求項１に記載の空気供給システム。
5. ２つの逆止弁の出力端は、前記改質器の入力端に接続され、第３の逆止弁の出力端が、ＳＯＦＣスタックの入力端に接続されている、請求項４に記載の空気供給システム。
6. 前記３つの送風機の流量、体積、および電力消費が異なる、請求項４または５に記載の空気供給システム。
7. 前記システムは、エアフィルタをさらに備え、前記エアフィルタの出力端が、前記送風機の前記入力端に接続されている、先行請求項のいずれか一項に記載の空気供給システム。
8. 熱交換器をさらに備え、
   前記熱交換器の入力端が、前記主空気通路を接続する前記逆止弁の出力端に接続されており、
   前記熱交換器の出力端が、前記改質器の前記入力端に接続されている、先行請求項のいずれか一項に記載の空気供給システム。
9. バーナーをさらに備え、
   前記バーナーの入力端が、前記ＳＯＦＣスタックの出力端に接続されており、
   前記バーナーの出力端が、前記熱交換器の前記入力端に接続されている、請求項８に記載の空気供給システム。

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