JP6997714B2 - 発電システム - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池発電装置に関するものである。限定ではないが、具体的には、熱流体エンジンを統合した燃料電池発電装置に係るものである。

電力をつくるための様々なシステムが知られている。その１つとして、燃料電池装置が知られている。複数の個々の燃料電池を含むセルスタックアセンブリが、水素および酸素などの反応物が供給されたときに、燃料電池が引き起こす電気化学反応に基づいて電力を生成する。様々な燃料電池発電装置の構成が知られており、使用されている。

通常のセルスタックアセンブリは、所望の動作温度に制御または維持するために冷却を必要とする。適切な温度が維持されないと、燃料電池の一部の部品が劣化することがある。さらに、セルスタックアセンブリの発電効率は、適切な温度管理に依存する場合が多い。

セルスタックアセンブリは、セルスタックアセンブリ内の温度が高くなり過ぎることを防止するための付属する冷却器を有する場合が多い。燃料電池装置は、しばしば、燃料電池装置内で熱管理機能を果たす１つ以上の熱除去熱交換器を含む補助冷却媒体ループを含む。熱除去熱交換器は、通常は冷却媒体が熱除去熱交換器に向かって循環する低品位熱交換器の上流に配置される。

熱流体エンジンも電力を生成することができる。熱流体エンジンは、通常、流体を膨張させるために熱を利用する。流体の膨張の結果、ピストンなどの機械的要素を作動させる。熱流体エンジンは、機械的要素の運動を電力に変換する発電機として動作するように構成できる。

例示的な発電システムは、化学反応に基づいて電力を発生させるように構成された複数の燃料電池セルを有するセルスタックアセンブリを備える燃料電池発電装置を含む。冷却媒体ネットワークは、セルスタックアセンブリに流体を流すように構成され、そこで冷却媒体ネットワーク内の流体は、燃料電池発電装置から熱を吸収することによって加熱された流体になり得るようになっている。冷却媒体ネットワークは、電力を発生させるように構成された熱流体エンジンと、冷却ステーションに供給される流体の温度を低下させるように構成された冷却ステーションと、冷却ステーションから、流体が加熱されるように構成された燃料電池発電装置の部分に向かって流体を流す第１の部分と、加熱された流体を第１の部分から流す第２の部分とを備え、第２の部分は、熱流体エンジンの熱流体入口を含む。熱流体エンジンは、加熱された流体を熱流体入口から、加熱された流体の熱を使用して電力を生成することができる熱流体エンジンの領域に向かわせるように構成される。熱流体エンジンは流体出口を有し、流体出口は、熱を発生させるために使用された流体を熱流体エンジンから冷却ステーションに向かわせるように構成される。冷却ステーションは、第１の部分に供給される前に、熱流体エンジンからの流体の温度を低下させるように構成されている。

他の例示的な発電システムは、化学反応に基づいて電力を発生させるように構成された複数の燃料電池セルを有するセルスタックアセンブリを備える燃料電池発電装置を含む。単一の冷却ステーションは、冷却流体の温度を低下させるように構成される。冷却媒体ネットワークは、冷却ステーションの下流の少なくとも１つの熱除去熱交換器と、少なくとも１つの熱除去熱交換器の下流にある低品位の熱交換器とを備える第１の冷却ループを含む。冷却ステーションは低品位の熱交換器の下流にある。低品位の熱交換器は、熱除去熱交換器からの加熱された流体を受けて、受け取った流体を冷却ステーションに向けて流すように構成された第１の部分を有する。冷却媒体ネットワークは、第２の流体を低品位の熱交換器に流す第２の部分を含む第２の冷却ループを含み、低品位の熱交換器において第２部分の第２の流体は、低品位の熱交換器の第１の部分の加熱された流体からの熱によって加熱される。第２の冷却ループは、加熱された第２の流体を熱流体エンジンの領域に向かわせるように構成された部分を含み、熱流体エンジンの領域において、加熱された第２の流体が、第２の部分に戻される前に、第２の流体からの熱を用いて電力を発生さるために利用できる。冷却媒体ネットワークは、冷却ステーションからの流体を熱流体エンジンに向けて流す第３の冷却ループを含み、熱流体エンジンにおいて、流体は、冷却ステーションに戻る前に熱流体エンジンの少なくとも一部の熱を吸収することができる。

開示された例示的実施形態の様々な構成および利点は、以下の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。詳細な説明に添付された図面は、以下のように簡単に説明できる

本発明の一実施形態に従って設計された発電システムの概略図。 本発明の他の実施形態に従って設計された発電システムの概略図。 他の実施形態。

図1に発電システム２０を概略的に示す。燃料電池発電装置２２は、既知の方法で化学反応に基づいて電力を発生する複数の燃料電池を含むセルスタックアセンブリ（ＣＳＡ）を含む。図示の例では、燃料電池発電装置２２は、発電システム２０によって供給される電力の主要な供給源として働く。

冷却媒体ネットワーク３０は、例えばＣＳＡの燃料電池の作動温度を所望の範囲内に維持するために、燃料電池発電装置２２の冷却機能を提供する。この例の冷却媒体ネットワーク３０は、冷却媒体ループ３２を含む。冷却媒体ループ３２の第１の部分３４は、水、グリコールまたはこれら２つの混合物などの冷却流体を燃料電池発電装置２２に向けて流す。この例では、第１の部分３２は、水回収凝縮器熱交換器３６と、少なくとも１つの熱除去熱交換器３８とを含む。熱交換器３６および３８は、燃料電池発電所内の熱管理機能を提供する。

図示の例では、ＣＳＡは、既知の方法でＣＳＡ内の温度を所望の範囲内に保つために利用される関連する冷却器を有する。熱交換器３６および３８は、冷却媒体ループ３２の第１の部分３４を通って流れる流体が、４０および４１で概略的に示される熱源からの熱を吸収できるように配置される。図示の例では、熱源４０は、燃料電池発電装置２２のＣＳＡの作動による排出熱を含み、熱源４２は、ＣＳＡの温度を制御するために使用される１つまたは２つ以上の冷却器を含む。

冷却媒体ループ３２の第２の部分４２は、熱除去熱交換器３８から加熱された流体を流す。冷却媒体ネットワーク３０は、熱流体エンジン４4を含む。冷却媒体ループ３２の第２の部分４２は、熱流体エンジン４４の加熱流体入口に加熱された流体を流す。加熱流体は、加熱された流体からの熱を電力の発生に使用できる熱流体エンジン４４の部分に供給する。熱流体エンジン４４は、熱を利用して電力を生成する公知の技術に基づいて作動するように設計されている。この例では、冷却媒体ネットワーク３０の一部である熱流体エンジン４４は、発電システム２０が供給する電力の第２の供給源として作動する。この例における熱流体エンジン４４の電力出力は、熱流体エンジン４４の出力が燃料電池発電装置２２から出力される電力よりも小さいため、第２の供給源と考えられる。

この例の熱流体エンジン４４は、冷却媒体ループ３２の低品位の熱交換器としても作動する。熱流体エンジンに供給される加熱された流体は、発電のために熱が利用されるため、少なくとも部分的に冷却される。温度の低下した流体は、冷却媒体ループ３２の第３の部分４６によって熱流体エンジン４４から流し出される。

冷却媒体ループ３２は、冷却部材または冷却ステーション５０を含む。冷却部材または冷却ステーション５０は、それに供給される流体の温度をさらに低下させ、その流体は、第１の部分３４および燃料電池発電装置２２に戻される。ポンプ５２が、冷却媒体ループ３２に流体を循環させる。

一例として、冷却ステーション５０からの流体は８４°Ｆ（２９℃）のオーダーの温度を有し、第２の部分４２の加熱された流体の温度は１８０°Ｆ～１９４°Ｆ（８２℃～９０℃）のオーダーの温度を有し、第３の部分４６の低温流体の温度は、１１５°Ｆ～１４０°Ｆ（４６℃～６０℃）のオーダーである。いくつかの実施形態では、熱流体エンジン４４は、第２の部分４２における加熱された流体の理想的な温度が１８０°Ｆ（８２℃）である。ポンプ５２、冷却ステーション５０または燃料電池発電装置２2の作動により、第２の部分４２内の流体温度が、熱流体エンジン４４の１８０°Ｆ（８２℃）の設定温度にできるだけ近くなるように制御することができる。冷却ループ３２内の流速は、燃料電池装置２２内の所望の量の温度管理、熱流体エンジン４４への所望の量の加熱流体、またはその両方を提供するように制御することができる。冷却媒体ネットワーク３０内の流体および温度をさらに管理するために、追加のバイパスラインを冷却媒体ループ３２に沿った異なる位置に有することができる。

図示の例は、熱流体エンジン４４の少なくとも一部の温度を制御するために、熱流体エンジン４４に冷却流体を運ぶエンジン冷却ループ５４を含む。この例では、エンジン冷却ループ５４は、冷却ステーション５０とは別個で分離した冷却ステーション５６を含む。ポンプ５８が、流体を冷却ステーション５６からエンジン冷却ループ５４の第１の部分６０に導く。第１の部分６０の流体は、熱流体エンジン４４へ流され、そこで熱流体エンジン４４からの熱を吸収することができる。その後、加熱された流体は、第２の部分６２の冷却ステーション５６に戻され、そこで流体が冷却され、次いで必要に応じて熱流体エンジン４４に戻される。

冷却ステーション５０および５６は、同じ構成にされてもよく、あるいは異なっていてもよい。例えば、冷却ステーション５０，５６の一方または両方は、湿式冷却塔または乾式冷却塔であってもよい。この説明の恩恵を受ける当業者は、それらの特定の必要性を満たすために適切な冷却要素または冷却ステーション要素を選択することができるであろう。

図２に、発電システム２０の別の例示的な実施形態を示す。この例では、冷却媒体ネットワーク３０'は、冷却媒体ループ３２およびエンジン冷却ループ５４内の流体の温度を低下させることを容易にする単一の冷却ステーション５６を有する。冷却媒体ループ３２の第３の部分４６は、図１の例の場合の冷却ステーション５０の代わりに、冷却ステーション５６に流体を導く。この特定の例では、第３の部分４６は、エンジン冷却ループ５４の第２の部分６２に流体を流し、そこから流体が冷却ステーション５６に流入する。図２の例では、冷却ステーションの必要な数を減少させ、外部冷却機能を単一のステーション５６に統合している。

制御弁（図示せず）および適切な制御アルゴリズムは、冷却媒体ネットワーク内の流体のうちのどれだけをそれぞれ冷却媒体ループ３２およびエンジン冷却ループ５４に向けるかを管理するために使用できる。図１の例では、エンジン冷却ループ５４内の流体は、冷却媒体ループ３２内の流体とは別れていて別個であった。図２の例では、エンジン冷却ループ５４内の流体と冷却媒体ループ３２内の流体は、少なくとも部分的に混合される。

図３には、別の例示的な実施形態を示す。この例では、冷却媒体ネットワーク７０は、冷却流体を燃料電池発電装置２２に向ける第１の部分７４を有する第１の冷却媒体ループ７２を含む。熱除去熱交換器７６および７８は、それぞれ熱源４０および４１に関連付けられており、第１の部分７４内の流体は、例えば、ＣＳＡの動作から生じる熱を吸収することができる。加熱流体は、冷却媒体ループ７２の第２の部分８２によって熱除去熱交換器７８から流す。第２の部分８２は、燃料電池発電装置２２の低品位熱交換器８４を通過する。第２の冷却ループ９０は、低品位熱交換器８４を少なくとも部分的に通過する第１の部分９２を含み、第１の部分９２内の流体が、第１の冷却ループ７２の第２の部分８２内の加熱された流体から熱を吸収することにより加熱される。第１の部分９２内の加熱された流体は、第２の冷却ループ９０の第２の部分９４によって、低品位熱交換器８４から流される。第２の部分９４は、加熱された流体を熱流体エンジン４４に流し、加熱された流体からの熱が発電に利用できるようになる。第２の冷却ループ９０は、第２のループ９０内に冷却流体を循環させるためのポンプ９６を含む。

第１冷却ループ７２内の流体は、低品位熱交換器８４から少なくとも１つの導管９８を通ってエンジン冷却ループ１００に流される。この流体は、冷却ステーション８６によって冷却され、ここで流体の温度は所望のレベルまで低減される。ポンプ８８は、第１の冷却ループ７２内の流体の流れを制御する。また、ポンプ８８は、エンジン冷却ループ１００内の流体の流れを制御して、熱流体エンジン４４に向けられる第１の部分１０２に沿って冷却流体を供給する。熱流体エンジン４４の少なくとも一部を冷却する目的で熱を吸収した流体は第２の部分１０４で冷却ステーション８６に向かって戻される。

図３の例では、熱流体エンジン４４は、第１の冷却ループ７２内の流体温度を低下させるために、低品位熱交換器８４と協働して動作する。熱流体エンジン４４は、発電システム２０によって供給される補助的電力源として働く。

図１および図２に示す実施形態は、図３の実施形態の低品位熱交換器８４のような発電装置２２の一部としての別個の低品位熱交換器を必要としない。図１および図２の実施形態では、熱流体エンジン４４は、冷却媒体ネットワークの低品位熱交換器として動作する。このような実施形態は、発電装置２２のための補助冷却ループ内の別個の低品位熱交換器に必要な構成要素を排除することによりコストを節約する。同時に、追加または補助電力が熱流体エンジン４４から利用可能であるので、装置の経済性が向上する。

例示された実施形態は、燃料電池発電装置２２用の冷却液ネットワークと熱流体エンジン４４とを一体化している。図示された実施形態に示されている構成部品の統合は、電力を発生させる能力を高めるとともに、燃料電池発電装置内の温度制御の必要性にも対応している。

様々な構成および要素を、個々の実施形態に関連して示し説明したが、それらの構成および要素のいずれも、他の実施形態の構成および要素と組み合わされてもよい。開示された例示的な実施形態に基づく他の組み合わせまたは実施形態も可能である。

上記の説明は、本質的に限定ではなく例示的なものである。開示された実施例の変形および変更は、それらの実施例で具体化された本発明の本質から逸脱することなく、当業者には明らかであろう。本発明に提供される法的保護の範囲は、以下の請求項を検討することによってのみ決定することができる。

Claims (14)

1. 発電システムであって、
   化学反応に基づいて電力を発生させるように構成された燃料電池発電装置と、
   前記燃料電池発電装置に流体を流すように構成された冷却媒体ネットワークと
   を備え、前記冷却媒体ネットワーク内の流体は、前記燃料電池発電装置から熱を吸収することによって加熱された流体になり得るようになっており、前記冷却媒体ネットワークは、
   電力を発生させるように構成された熱流体エンジンと、
   冷却ステーションであって、該冷却ステーションに供給される流体の温度を低下させるように構成された前記冷却ステーションと、
   前記冷却ステーションから、流体が加熱されるように構成された前記燃料電池発電装置の部分に向かって流体を流す、第１の部分と、
   加熱された流体を前記第１の部分から前記熱流体エンジンの第１の熱流体入口に流すように構成された第２の部分と
   を備え、
   前記熱流体エンジンは、加熱された流体を前記第１の熱流体入口から、加熱された流体の熱を使用して電力を生成することができる前記熱流体エンジンの領域に向かわせるように構成され、
   前記熱流体エンジンは第１の流体出口を有し、該第１の流体出口は、熱を発生させるために使用された流体を前記熱流体エンジンから前記冷却ステーションに向かわせるように構成され、
   前記冷却ステーションは、前記第１の部分に供給される前の前記熱流体エンジンからの流体の温度を低下させるように構成されており、
   前記発電システムは、前記熱流体エンジンの少なくとも一部の温度を低下させるように構成されたエンジン冷却ループを備え、前記エンジン冷却ループは、前記第１の熱流体入口及び前記第１の流体出口とは別個の第２の入口及び第２の出口を通じて、前記熱流体エンジンと流体連通している、発電システム。
2. 前記第１の部分、前記第２の部分、前記熱流体エンジンおよび前記冷却ステーションは、流体を循環させるように構成された冷却媒体ループとして接続され、前記冷却ステーションが前記第１の部分の上流にあり、前記第１の部分が前記第２の部分の上流にあり、前記第２の部分が前記熱流体エンジンの上流にあり、前記熱流体エンジンが前記冷却ステーションの上流にある、請求項１に記載された発電システム。
3. 前記冷却媒体ループは、前記燃料電池発電装置の補助冷却ループである、請求項２に記載された発電システム。
4. 前記エンジン冷却ループは、前記冷却媒体ネットワークとは別個で分離している、請求項１に記載された発電システム。
5. 前記エンジン冷却ループは、該エンジン冷却ループ内の冷却流体の温度を低下させるように構成された少なくとも１つの冷却要素を備え、
   前記エンジン冷却ループは、該エンジン冷却ループ内で冷却流体を移動させるためのポンプを備える、請求項１に記載された発電システム。
6. セルスタックアセンブリに関連する少なくとも１つのセルスタック冷却器を備え、前記第１の部分は、前記少なくとも１つのセルスタック冷却器に関連付けられた少なくとも１つの熱交換器を含み、該少なくとも１つの熱交換器は、冷却媒体ループの第２の部分の上流に位置する、請求項１に記載された発電システム。
7. 前記冷却媒体ネットワークは、該冷却媒体ネットワークを通って流体を循環させるためのポンプを備える、請求項１に記載された発電システム。
8. 前記冷却ステーションが、前記冷却媒体ネットワークおよび前記エンジン冷却ループ内の流体の温度を低下させるように構成され、
   前記エンジン冷却ループは、流体を前記冷却ステーションから前記熱流体エンジンに向け、冷却要素に戻すようになっている、請求項１に記載された発電システム。
9. 前記冷却媒体ネットワークおよび前記エンジン冷却ループを通って流体を循環させるためのポンプを備える、請求項８に記載された発電システム。
10. 発電システムであって、
    化学反応に基づいて電力を発生させるように構成された燃料電池発電装置と、
    電力を発生させるように構成された熱流体エンジンと、
    冷却流体の温度を低下させるように構成された単一の冷却ステーションと、
    前記冷却ステーションの下流の少なくとも１つの熱除去熱交換器と、該少なくとも１つの熱除去熱交換器の下流にある第２の熱交換器とを備える第１の冷却ループを含む冷却媒体ネットワークであって、前記冷却ステーションは前記第２の熱交換器の下流にあり、前記少なくとも１つの熱除去熱交換器は、前記少なくとも１つの熱除去熱交換器内の流体が前記燃料電池発電装置の運転に関連する熱を吸収するように配置され、前記第２の熱交換器は、前記少なくとも１つの熱除去熱交換器からの加熱された流体を受けて、受け取った流体を前記冷却ステーションに向けて流すように構成された第１の部分を有する、前記冷却媒体ネットワークと、
    を備え、
    前記冷却媒体ネットワークは、第２の流体を前記第２の熱交換器に流す第２の部分を含む第２の冷却ループを含み、前記第２の熱交換器において第２部分の第２の流体は、前記第２の熱交換器の第１の部分の加熱された流体からの熱によって加熱され、
    前記第２の冷却ループは、加熱された第２の流体を前記熱流体エンジンの領域に向かわせるように構成された第３の部分を含み、前記熱流体エンジンの領域において、加熱された第２の流体が、前記第２の部分に戻される前に、前記第２の流体からの熱を用いて電力を発生さるために利用でき、
    前記冷却媒体ネットワークは、前記冷却ステーションからの流体を前記熱流体エンジンに向けて流す第３の冷却ループを含み、前記熱流体エンジンにおいて、流体は、前記冷却ステーションに戻る前に前記熱流体エンジンの少なくとも一部の熱を吸収することができるようになっている、発電システム。
11. 前記第１の冷却ループは、前記燃料電池発電装置の補助冷却ループである、請求項１０に記載された発電システム。
12. セルスタックアセンブリに関連する少なくとも１つのセルスタック冷却器を備え、前記少なくとも１つのセルスタック冷却器が、前記少なくとも１つの熱除去熱交換器に関連付けられており、前記少なくとも１つの熱除去熱交換器の第１の部分の流体が、前記少なくとも１つのセルスタック冷却器の冷却流体から熱を吸収し、前記少なくとも１つのセルスタック冷却器の流体は、燃料電池スタックからの熱により加熱されるようになっている、請求項１０に記載された発電システム。
13. 前記冷却媒体ネットワークは、前記第１の冷却ループを通って冷却流体を循環させる第１のポンプを備え、
    前記第２の冷却ループは、該第２の冷却ループを通って第２の冷却流体を循環させる第２のポンプを備える、請求項１０に記載された発電システム。
14. 前記第１のポンプは、前記第３の冷却ループを通って冷却流体を循環させるようになっている、請求項１３に記載された発電システム。

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