JP5085847B2 - 出力発生用の膨張機を備える高効率燃料電池発電システム - Google Patents
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Description
本発明の一体化された燃料改質器/燃料電池発電システムの一実施形態が、図1に概略的に示されている。バーナ10が、空気/蒸気12、燃料14、および好ましくは再循環された燃料電池アノード排気16の供給を受け、これらを燃焼させて高温の排気20を生成する。バーナへの投入物(空気、燃料、および再循環される燃料電池排気)のいずれかまたはすべては、除去するべき熱を含む任意の適切な領域における熱交換によって、予熱することができる。特に、以下に述べるとおり、通常は空気/蒸気流12が予熱される。
本発明の一体化燃料改質器/燃料電池発電システムの第2の典型的な実施形態が、図2に示されている。この実施形態は、ここでは加圧空気/蒸気混合物が燃料電池スタックへの水の直接噴射によって(少なくとも一部は)生成される点を除き、図1に示した実施形態と類似している。したがって、噴射される水は、カソード空気の加湿ならびに燃料電池の冷却という2つの機能を達成する。燃料電池の加湿/冷却のための水の直接噴射は、本件出願と同一の出願人による国際特許出願No.PCT/EP00/03171(国際公開No.WO00/63992)にさらに詳しく記載されており、上記米国出願は、ここでの言及によって本明細書に組み込まれたものとする。水の直接噴射は、既述の燃料電池冷却ループの補完または置き換えとして使用できる。図2に示すように、飽和器/混合器62(図1)が、噴射器80およびポンプ81で置き換えられている。水は、ポンプ81によって所望の量で噴射器80に供給され、燃料電池スタックに噴射される。水は、分離された混合装置内に噴射されて、カソード空気と混合された後で一体となって燃料電池内に噴射されるようにしてもよい。噴射される水の量は、スタックの温度が所定のレベルに調整されるようシステムコントローラによって決定され、水の気化によりスタックから充分な熱を除去するのに不足なく水が供給できる。また、この気化により、カソード空気はほぼまたは完全に飽和し、スタックからの蒸気含有排気流70を生成する。必要であれば、システム内の他の位置で、空気/蒸気流70に追加の水を加えてもよい。例えば、熱交換器56または34においてそれぞれ改質燃料54およびバーナ排気30からの熱を利用し、追加の水を流体70中に蒸発させることができる。また、水の直接噴射とともに冷却ループを同時に使用することができ、バーナ10が使用されていないときなど、種々幅広い条件下における熱の制御が可能となる。
システム効率上昇分の計算によれば、ここに示した燃料電池の熱回収システム全体では、著しい向上が可能である。正確な値は、システムの動作状態および多数のさらなる可変要素(変数)によって決まる。可搬システムにおけるシステム効率の一般的な値は、約30〜35%の範囲である。燃料電池の廃熱のエネルギ値の半分を回収することにより、例えば35%のシステム効率から41%(効率における15%の向上)に、システム効率を最低でも5%、より典型的には15%以上改善することができる。より高い割合で燃料電池の廃熱を回収することができ、さらに効率を高めることができる。より高い効率のためには、追加の空気の供給が必要になる場合もあるが、前述のように、その空気は必ずしも燃料電池を通過する必要はない。
「ジョイントサイクル」は、改質器を備えていないシステムにも適用可能である。アノードからの余分な燃料を燃焼させるためのバーナを追加し、燃料電池の廃熱を利用して水を圧縮空気中に気化させることにより、蒸気含有排気流を膨張機に供給することができ、廃熱を機械的エネルギとして回収することが可能になる。
次に図4に目を向けると、本発明の純水素方式燃料電池発電システムについての別の実施形態が示されており、加湿および冷却の両方を行なうため、水を燃料電池に直接噴射することによって水を加圧空気中に気化させている。図2の実施形態と同様、この例においては、図3の冷却ループおよび飽和器132が、噴射・混合器180によって置き換えられており、噴射・混合器180には、ポンプ158’によってタンク156から水が供給されている。この噴射器が、水を圧縮機124からの加圧空気と混合し、水/空気混合物を燃料電池110のカソード114に噴射する。この水が燃料電池を冷却および加湿し、この水の少なくとも一部がカソード空気中に気化し、バーナ140で使用される加圧空気/蒸気混合物146が生成される。噴射/混合は、ここで示すように分離したの装置180によって行なうことができ、あるいは水を加圧カソード空気と混合すべくスタックに直接噴射することも可能である。必要であれば、バーナ排気からの熱を使用し、復熱器148の手前または復熱器148内で、カソード排気146中に追加の水を気化させることができる。例えばバーナが使用されていないときなどの種々幅広い状況下にで熱の制御を可能にするため、冷却ループも設けられている中間的な構成も可能である。
上記の本発明のいずれの実施形態においても熱交換が望ましく、あるいは必要とされる場合には、当業者に知られ、あるいは利用されているいずれの熱交換または熱伝達の方法も、本発明に適する。実現可能であれば、モジュールを1つまたはそれ以上の共通のハウジング内に一体化することが、効率的な熱伝達をもたらす有効な方法である。したがって、改質ゾーンを、バーナ・ゾーンの周囲またはバーナ・ゾーン内に、環状に配置してもよい。さらに、ゾーン間の熱伝達を、チューブや他の中空構造などの通常の熱交換器によって行なってもよく、さらにはフィンなどの受動素子によって伝達してもよい。
12 加圧空気/蒸気混合物
14 燃料
32 膨張機
36 凝縮器
40 タンク
42 ポンプ
44 燃料電池
64 圧縮機
82 出力取り出し
110 燃料電池
112 アノード
114 カソード
124 圧縮機
140 バーナ
144 膨張機(タービン)
154 凝縮器(ラジエタ)
156 (水)タンク
158 ポンプ
170 流量制御弁
Claims (47)
- アノードおよびカソードを有する燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに水素燃料を供給する水素燃料供給源と、
加圧空気流を生成する圧縮機であって、その生成した前記加圧空気流を前記燃料電池のカソードに供給して、燃料電池膜においてアノードの水素と反応させて電力と廃熱を生成させる圧縮機と、
前記燃料電池内に液体として直接噴射される液体を供給する、前記加圧空気流と連通する液体供給源であって、その供給源からの液体の少なくとも一部を前記発電システムの廃熱による加熱によって、前記加圧空気流中に気化させ、空気および蒸気からなる加圧混合物を生成させる液体供給源と、
バーナ燃料を前記加圧空気/蒸気混合物と一緒に燃焼させ、蒸気含有排気流を生成するバーナと、
前記バーナと連通する膨張機であって、前記蒸気含有排気流によって駆動され、前記空気の加圧に必要な動力を超える出力を生成する膨張機とを備え、
前記水素燃料は、水素ガスおよび少なくとも1種類のアルコールからなる群から選択され、
前記水素ガスは、各システムに個別に設けられる燃料改質ユニットとは別の供給源から供給されるものであり、
前記少なくとも1種類のアルコールは、前記燃料電池膜で、または燃料電池膜近傍で直接水素を生成するように、前記燃料電池のアノードにおいて少なくとも一部が改質されたものであり、
前記膨張機から前記超過出力を動力として取り出す燃料電池発電システム。 - 請求項1において、前記取り出された動力が、発電機を駆動するために使用されているシステム。
- 請求項1において、前記取り出された動力が、前記発電システム内の少なくとも1つの構成要素を駆動するために使用されているシステム。
- 請求項3において、前記システムの少なくとも1つの構成要素が、圧縮機およびポンプのうちの少なくとも1つを含むシステム。
- 請求項1において、前記膨張機がタービンを含むシステム。
- 請求項1において、前記水素燃料がメタノールであり、前記燃料電池膜で、または燃料電池膜近傍で直接水素を生成するように、前記燃料電池のアノードにおいて少なくとも一部が改質されたものであるシステム。
- 請求項1において、前記水素燃料が水素ガスであるシステム。
- 請求項7において、前記バーナ燃料が、前記アノードから排出された未反応水素を含むシステム。
- 請求項7において、前記バーナ燃料が、前記燃料電池のアノード以外の供給源からの追加の燃料を含むシステム。
- 請求項9において、前記追加の燃料が水素ガスを含み、前記燃料電池のアノード以外の供給源が、前記水素燃料の供給源からなるシステム。
- 請求項10において、さらに、前記追加の燃料を前記バーナに選択的に供給するための絞り弁を有しているシステム。
- 請求項8において、さらに、前記燃料電池のアノードからの排気を前記バーナに選択的に供給するためのパージ弁を有しているシステム。
- 請求項7において、さらに、前記バーナの排気からの熱を、少なくとも1つの流体に伝達するための熱交換器を備えているシステム。
- 請求項13において、前記流体がバーナへの入力物を含むシステム。
- 請求項13において、前記熱交換器が、前記バーナの排気が前記膨張機を通過した後に、前記バーナ排気から熱を伝達するシステム。
- 請求項13において、前記熱交換器が、前記バーナ排気が前記膨張機を通過する前に、前記バーナ排気から熱を伝達するシステム。
- 請求項1において、さらに、前記バーナ排気をシステムから放出する前に前記バーナ排気から蒸気を回収する凝縮器を有しているシステム。
- 請求項17において、さらに、前記バーナ排気に背圧を選択的に加えて前記バーナの排気内の蒸気の回収を容易にする装置を有しているシステム。
- 請求項1において、さらに、前記システムを循環して前記燃料電池から廃熱を除去する冷却用流体を含むシステム。
- 請求項19において、前記加圧空気中へと気化する液体の供給源が、冷却用流体を含むシステム。
- 請求項19において、前記加圧空気中へと気化する液体の供給源が、前記冷却用流体からの廃熱によって加熱されるシステム。
- 請求項1において、前記液体が、前記燃料電池内で前記加圧空気流中に気化するシステム。
- 請求項1において、前記燃料電池が、200℃以下の動作温度を有しているシステム。
- 請求項1において、前記燃料電池がPEM燃料電池であるシステム。
- 燃料電池発電システムの効率的な運転のための方法であって、
水素燃料供給源から燃料電池のアノードに水素燃料を供給する過程と、
酸素含有ガスを圧縮して加圧空気流を生成する過程と、
前記加圧空気を燃料電池のカソードに供給する過程と、
前記燃料電池において前記水素と前記加圧空気を反応させ、電力および廃熱を生成する過程と、
前記燃料電池内に直接液体を噴射し、かつ前記燃料電池内で前記液体を加圧空気中へと気化させて、加圧空気/蒸気混合物を生成する過程と、
バーナ燃料を前記加圧空気/蒸気混合物と一緒に燃焼させ、高温の蒸気含有排気流を生成する過程と、
前記高温の蒸気含有排気流を膨張機によって膨張させ、前記加圧空気流の供給に必要な動力を超える出力を生成する過程と、
前記膨張機から超過出力を取り出す過程と
を含み、
前記水素燃料供給過程において、
前記水素燃料を、水素ガスおよび少なくとも1種類のアルコールからなる群から選択し、
前記水素ガスを、各システムに個別に設けられる燃料改質ユニットとは別の供給源から供給し、
前記少なくとも1種類のアルコールを、前記燃料電池膜で、または燃料電池膜近傍で直接水素を生成するように、前記燃料電池のアノードにおいて少なくとも一部を改質する、
方法。 - 請求項25において、超過出力の取り出しが、当該出力を発電機を駆動するために使用することを含んでいる方法。
- 請求項25において、超過出力の取り出す過程が、前記発電システムの構成要素を駆動する過程を含む方法。
- 請求項27において、前記構成要素が、ポンプおよび圧縮機のうちの少なくとも1つを含む方法。
- 請求項25において、前記膨張機がタービンを含む方法。
- 請求項25において、加圧空気中に液体を気化させる過程が、前記空気流が前記燃料電池に入る前に行なわれる方法。
- 請求項25において、加圧空気中に液体を気化させる過程が、前記燃料電池内で行なわれる方法。
- 請求項25において、さらに、前記システム内で冷却用流体を循環させて前記燃料電池から廃熱を除去する過程、および前記循環する冷却用流体からの廃熱を使用して加圧空気中に液体を気化させる過程を含む方法。
- 請求項32において、前記加圧空気中に気化する流体が、循環する冷却用流体を含む方法。
- 請求項25において、前記燃料電池が、200℃以下の動作温度を有している方法。
- 請求項25において、前記燃料電池がPEM燃料電池である方法。
- 請求項25において、前記水素燃料がメタノールであり、前記燃料電池膜で、または燃料電池膜近傍で直接水素を生成するように、前記燃料電池のアノードにおいて少なくとも一部が改質されたものである方法。
- 請求項25において、前記水素燃料が水素ガスである方法。
- 請求項25において、さらに、
未反応の水素を含有する排気を、前記燃料電池のアノードから放出する過程、および
前記未反応の水素を前記加圧空気/蒸気混合物と一緒に燃焼させ、前記高温の蒸気含有排気流を生成する過程を含む方法。 - 請求項25において、前記バーナ燃料が、前記燃料電池のアノード以外の供給源からの追加の燃料を含む方法。
- 請求項39において、前記追加の燃料が水素ガスを含んでおり、前記燃料電池のアノード以外の供給源が、前記水素燃料供給源からなる方法。
- 請求項25において、さらに、燃焼の前に前記バーナ燃料および前記加圧空気/蒸気混合物のうちの少なくとも1つを予熱する過程を含む方法。
- 請求項41において、前記予熱のステップが、前記高温の蒸気含有排気流からの熱を供給する過程を含む方法。
- 請求項25において、さらに、前記システムから前記排気を放出する前に、前記排気流から凝縮した蒸気を回収する過程を含む方法。
- 請求項43において、さらに、前記排気流に背圧を選択的に加え、前記排気から凝縮した蒸気の回収を促進する過程を含む方法。
- アノードおよびカソードを有する燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに水素ガスを供給する供給源であって、各システムに個別に配置される燃料改質ユニットとは別の水素ガスの供給源と、
加圧空気流を生成する圧縮機であって、その生成した前記加圧空気流を前記燃料電池のカソードに供給して、燃料電池膜においてアノードの水素ガスと反応させて電力と廃熱を生成させる圧縮機と、
前記燃料電池内に液体として直接噴射される液体を供給する、前記加圧空気流と連通する液体供給源であって、その供給源からの液体の少なくとも一部を前記発電システムの廃熱による加熱によって、前記加圧空気流中に気化させて空気および蒸気からなる加圧混合物を生成させる液体供給源と、
燃料を前記加圧空気/蒸気混合物と一緒に燃焼させ、蒸気含有排気流を生成するバーナと、
前記バーナと連通し、前記蒸気含有排気流によって駆動されて出力を生成する膨張機とを有している非ハイブリッド水素方式燃料電池発電システム。 - 請求項45において、前記水素ガスの供給源が、貯蔵された水素の供給源であるシステム。
- 非ハイブリッド水素方式燃料電池発電システムの効率的な運転のための方法であって、
各システムに個別に配置された燃料改質ユニットとは別の供給源から水素を燃料電池のアノードへと供給する過程と、
酸素含有ガスを圧縮して加圧空気流を生成する過程と、
前記加圧空気を燃料電池のカソードへと供給する過程と、
前記燃料電池において前記水素と前記加圧空気を反応させ、電力および廃熱を生成する過程と、
前記燃料電池内に直接液体を噴射し、かつ前記燃料電池内で前記液体を加圧空気中へと気化させて、加圧空気/蒸気混合物を生成する過程と、
燃料を前記加圧空気/蒸気混合物と一緒に燃焼させ、高温の蒸気含有排気流を生成する過程と、
前記高温の蒸気含有排気流を膨張機によって膨張させ、出力を生成する過程とを含む方法。
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