(57)【要約】  本発明はスタック（５）として積み重ねられ、電気負荷（６）に供給するように構成された複数の燃料電池を備え、スタック（５）に供給されるガス燃料を発生させる手段（２）と、前記ガス燃料の消費の結果、前記スタック（５）内に発生した熱流の少なくとも一部を除去する手段（７、１０）とを備える発電機（１）であって、ガス燃料を発生させる前記手段（２）を所定の温度範囲内に維持するように構成された加熱手段（８、９）を備え、スタック（５）内に発生した熱流の前記除去された部分の少なくとも一部を前記除去手段（７）からガス燃料を発生させる前記手段（２）に伝達する手段（９）を備える発電機に関する。
2013522836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタック（５）として積み重ねられ、電気負荷（６）に供給するように構成された複数の燃料電池と、
前記スタック（５）に供給されるガス燃料を発生させる手段（２）と、
前記ガス燃料の消費の結果、前記スタック（５）内に発生した熱流の少なくとも一部を除去する手段（７、１０）と、
を備え、
ガス燃料を発生させる前記手段（２）を所定の温度範囲内に維持するように構成された加熱手段（８、９）と、
前記スタック（５）内に発生した熱流の前記除去された部分の少なくとも一部を、前記除去手段（７）からガス燃料を発生させる前記手段（２）に伝達する手段（９）と、
を備える発電機（１）であって、
前記スタック（５）内に発生した前記熱流の少なくとも一部を除去する前記手段（７）は、前記スタック（５）に熱的に結合され、第１の熱担体流体の流れが通り抜ける第１の油圧回路と、
前記加熱手段（８、９）は、ガス燃料を発生させる前記手段（２）に熱的に結合され、第２の熱担体流体の流れが通り抜ける第２の油圧回路（８）と、
を備える発電機（１）。
【請求項２】
前記スタック（５）内に発生した熱流の前記除去された部分の少なくとも一部を伝達する前記手段（９）は、熱交換器を備える、請求項１に記載の発電機。
【請求項３】
前記ガス燃料が水素であり、
ガス燃料を発生させる前記手段（２）が、水および電力を受け取り、水素および酸素を発生させるように構成されたエレクトロライザを備える、請求項１または２に記載の発電機。
【請求項４】
前記スタック（５）内に発生した熱流の少なくとも一部を除去する前記手段（７、１０）が、熱消散手段（１０）を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項５】
ガス燃料を発生させる前記手段（２）を前記所定の温度範囲内に維持するために、前記除去手段（７、１０）および前記加熱手段（８、９）を管理するようにプログラムされた制御ユニットを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項６】
スタック（５）として積み重ねられ、電気負荷（６）に供給するように構成された燃料電池を有し、
前記スタック（５）に供給されるガス燃料を発生させる手段（２）と、
前記ガス燃料の消費の結果、前記スタック（５）内に発生した熱流の少なくとも一部を除去する手段（７、１０）と、
を備える発電機を管理する方法であって、
ａ）前記電気負荷（６）によって必要とされる電力を発生させるために、ガス燃料の流れを前記スタック（５）に供給する工程と、
ｂ）前記ガス燃料の消費の結果、前記スタック（５）によって発生した熱流の少なくとも一部を、熱担体流体の第１の流れを用いて除去する工程と、
ｃ）ガス燃料を発生させる前記手段（２）を所定の温度範囲に維持するために、熱担体流体の第２の流れを用いて、前記スタック（５）内に発生した熱流の前記除去された部分の少なくとも一部を前記手段（２）に伝達する工程であって、熱担体流体の前記第１の流れおよび第２の流れが、熱的に結合され物質的に分離される工程と、
を含む、発電機を管理する方法。
【請求項７】
前記手段（２）内で実施された電解プロセスを用いて前記ガス燃料を発生させる工程を含み、前記所定の温度範囲が、４０から８０℃である、請求項６に記載の発電機を管理する方法。
【請求項８】
前記スタック（５）を４０から８０℃の温度に維持する工程を含む、請求項６または７に記載の発電機を管理する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電機およびその管理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固定して使用するための、水素が燃料として使用されるＰＥＭタイプ（プロトン交換膜）の燃料電池の使用に基づいて低容量（５〜２０ｋＷ）を有する燃料電池発電機（ＵＰＳ）が、一般にバックアップ用途向けに設計されている。言い換えれば、これらのシステムは、作動上の「不活性状態」（待機状態）のほぼ一定の状況で働くが、緊急の場合、負荷の電力要求を満たすことを確実にするために、安全かつ信頼高い状態下で非常に短時間で容易に稼動されなければならい。
【０００３】
これらの発電機は長時間および／または頻繁に使用することは必要とされないため、少なくとも原則的には、水素が極低温度で貯蔵される液体水素蒸発システムなどの、水素の貯蔵および供給のための複雑なシステムを取り付けることは、コスト上効果的ではない。
【０００４】
さらに、水素が高度に加圧されたガスシリンダのセットから得られる、この分野で最も頻繁に使用される貯蔵および供給のための最も簡単なシステムは、しばしば過小評価されその取り付け、管理および保守に関わる安全上の問題を生み出す。
【０００５】
これらの欠点を取り除くために、発電機の燃料電池のスタックをガス状燃料を発生させるオンサイト手段に構造的に連結し、機能的に結合させる作動的実践が、この分野では定着している。特に電池が水素を燃料として使用するところでは、水素を生成するためのエレクトロライザを備える燃料電池発電機が知られている。そのような発電機の一般的な構成が、図１に示されている。
【０００６】
図１は、固定して使用するための、低容量の燃料電池発電機１であって、電力および水を受け取り、水を２つの成分、すなわち水素および酸素に変換するように構成されたエレクトロライザ２を備える燃料電池発電機を概略的に示している。発電機は、さらに、エレクトロライザ２によって生成された水素および酸素が貯蔵されるタンク３、４を備える。発電機１は、使用時、タンク３、４から得られた水素および酸素のそれぞれの流れが供給される燃料電池スタック５を備える。
【０００７】
スタック５を形成するように積み重ねられた燃料電池は、正しく作動するために最適な温度範囲内に働く必要があるため、スタック５は、好ましくは、使用時、ほぼ一定の温度（通常４０から８０°Ｃの範囲内）に維持される。この目的のため、発電機１は、燃料電池内に起こる酸化反応によって生成された熱の消散のための手段１０を備える。一般に、これらの消散手段１０は、１つまたは複数の適切に配置されたファンＶＩ、Ｖ２からなる。
【０００８】
故に、発電機１が負荷６の電気要求を満たすように稼動されるとき、発電機１は、タンク３、４内に事前に貯蔵された水素および酸素を消費し、この水素および酸素は、たとえば発電機１が待機状態に戻されたときなどに、エレクトロライザ２によって再充填され得る。
【０００９】
エレクトロライザ２にもまた、約４０から約８０℃である最適な作動温度範囲が存在する。しかし、起動時、したがって作動の最初の数分間、エレクトロライザ２は、周囲温度で、すなわち最適な温度範囲よりもはるかに低い温度で働かされる。これは、電解に費やされる電力消費を損ねるまでにその効率性、ならびに水素および酸素の出力を大幅に低減させ、また、発電機１の新たな介入を考慮してタンク３、４内に水素および酸素成分を取り戻すために必要とされる時間の望ましくない増大を伴う。
【００１０】
したがって、当技術分野では、ガス状燃料を発生させるオンサイト手段を備えるタイプの燃料電池発電機であって、特にその低温での起動段階において、前記手段の作動状態を最適化することを可能にする燃料電池発電機を提供する必要がある。
【００１１】
この分野では、さらに、エネルギーの無駄を低減すること、および反応物を発生させ、次いで反応物自体の化学エネルギーを電力に変換するオンサイトプロセスの全体効率を向上させることができる、ガス燃料を発生させるオンサイト手段を備えるタイプの燃料電池発電機を提供する必要がある。
【００１２】
たとえば、特許文献１は、燃料電池発電機に、エレクトロライザへの電力を発生させる際に燃料電池内に生じた熱を伝達する装置を装備することを提案した。
【００１３】
より具体的には、特許文献１では、負荷に供給される電力を発生させるために発電機が使用される間である（３時間の）第１の期間、および水素を発生させるために電力がエレクトロライザに供給される間である（８時間の）第２の期間をもたらす構成に対して参照がなされている。
【００１４】
特許文献１は、さらに、第１の期間中、燃料電池の冷却回路を通って流れることによって高温に加熱された水を貯蔵タンクに運ぶことを提案している。特許文献１は、次いで第２の期間中、貯蔵タンク内に収集された加熱された水をエレクトロライザに運ぶことを提案している。
【００１５】
より具体的には、第１の実施形態では、加熱された水は、熱をエレクトロライザに放出するために使用される。第２の実施形態では、加熱された水は、その代わりにエレクトロライザに直接供給され、電解プロセスにかけられる。
【００１６】
しかし、特許文献１の解決策は、いくつかの欠点を有する。
【００１７】
最初に、第１の期間中に燃料電池内に生じた過剰な熱を除去するのに必要とされる水量は、通常非常に多く、その結果、これを貯蔵するために非常に大きいタンクが必要とされ、システムの全体的なコンパクト性を損ねることに留意されたい。たとえば、３時間で１ｋＷ程度の過剰な熱を破棄するためには、水が２５〜５５℃で得られると仮定すると、約８６Ｌの水量が必要とされる。したがって、システムは、少なくとも約９０〜１００Ｌの水量を含むように適合された貯蔵タンクを備えなければならない。
【００１８】
この態様は、燃料電池発電機が、主電源（たとえば電気幹線）に代わる電力源であるバックアップ用途では特に望ましくないものであり、また、これは緊急状態下でのみ稼動されるため、他の稼動（生産、貯蔵など）用に意図された空間内に好都合に配置され得る補助的構成要素であることが好ましい。
【００１９】
さらに、タンクの設計サイズは、燃料電池発電機およびエレクトロライザのそれぞれのオン／オフ期間の特有の持続期間に直接左右される。したがって、そのようなシステムは、発電機およびエレクトロライザの両方のそれぞれのオン／オフ期間の持続時間が事前に一義的に推定され得ず、１日当たりの発電機の介入回数、したがってオン／オフ期間が本質的には予測可能でないバックアップ用途にはあまり適さない。実際には、タンクの設計容積を、実際の作動状態に適合させることはできない。
【００２０】
さらに、特許文献１によって提案されるように、燃料電池の作動中、大量の熱がシステム内に蓄積され、この熱は、エレクトロライザの次の稼動期間まで実質的には消散されない、または放出されないことは注目すべきことである。この状況は、発電機に加えて、連続的に冷却される必要がある構成要素（たとえば制御システムの電気構成要素など）をさらに備える小型システムには特に望ましくないものである。実際のところ、システム内に貯蔵されたそのような大量の熱が存在することで、他の局所的に生成された熱流の効果的な消散が特に困難になる。
【００２１】
最後に、電解プロセスは、可逆性の状態下で行われた場合、理論上は吸熱性であることは考慮に値することである。特にエレクトロライザに熱を供給する必要があることは、関連する起動段階中において明確かつ重要である。しかし、現実のプロセスは通常、不可逆度が高く、さらには分極現象にさらされるため、実際には通常、エレクトロライザが、必要とされるフル稼働の作動温度で維持されるために、熱を環境へ連続的に放出しなければならない状況が起こる。特許文献１で提案された構成は、その代わりに、エコライザに向けて、その対応して働く期間の全持続時間中、熱を伝達することを課している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】米国特許第６６６０４１７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
したがって、本発明の目的は、ガス状燃料を発生させるオンサイト手段を備えるタイプの燃料電池発電機であって、知られている解決策に関連付けられた欠点を簡単にかつコスト効果高く克服することを可能にする燃料電池発電機を提供することである。
【００２４】
特に、本発明の目的は、特にバックアップ用途向けの、ガス燃料を発生させるオンサイト手段を備えるタイプの燃料電池発電機であって、前述のシステムのエネルギーおよび管理要求を満たすことを可能にしながら、システムの全体サイズを抑制すること、およびさまざまな機器の起動段階中および対応するフル稼働作動段階中の両方で関連する熱流を賢く管理できることを確実にする燃料電池発電機を提供することである。これらの段階は、実際には、その性質による相互に異なるプロセス条件および必要性によって特徴付けられる。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
前述の目的は、請求項１に記載された燃料電池発電機に関する本発明によって達成される。
【００２６】
本発明をより良好に理解するために、好ましい実施形態が、非限定的な例のみとして、また添付の図を参照して次に以下で説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来技術による燃料電池発電機を概略的に示す図である。
【図２】本発明による燃料電池発電機を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図２では、符号１は、本発明による燃料電池発電機の全体を示している。
【００２９】
発電機１は、タンク３、４に流体的に連結されたスタック５を形成するように積み重ねられた複数の燃料電池を備え、このタンクからスタックは、使用時、ガス燃料、および純粋なまたはガス状混合物の酸化ガスのそれぞれの流れを受け取り、負荷６に供給される電力を生成する。
【００３０】
発電器１は、さらに、スタック５に供給されるガス燃料を発生させるオンサイト手段２を備える。
【００３１】
図示されているケースでは、ガス燃料を発生させる手段２は、電力および水を受け取り、水を２つの成分、すなわちそれぞれのタンク３、４に貯蔵される水素および酸素に変換するように構成されたエレクトロライザを備える。したがって発電機１は、水素をガス燃料として、酸素を酸化ガスとして使用する。
【００３２】
発電機１は、好ましくは、スタック５を冷却するための油圧回路７を備え、この油圧回路内には、スタック５からの酸化反応によって局所的に生じた熱の少なくとも一部を除去するために、たとえば水など熱担体流体が循環されている。
【００３３】
さらに、発電機１は、エレクトロライザ２を加熱するための油圧回路８を備え、この油圧回路内には、たとえば水などの熱担体流体が、エレクトロライザ２の温度を最適な温度範囲内に維持するのに必要とされる熱の少なくとも一部をエレクトロライザ２に供給するために循環されている。この目的のため、発電機１は、さらに好ましくは、油圧回路７、８が油圧式に結合された熱交換器９を備え、したがってスタック５とエレクトロライザ２の間に熱統合が得られる。言い換えれば、酸化反応によってスタック５内に生じた過剰な熱の少なくとも一部分は、除去され、好ましくはエレクトロライザ２に伝達される。
【００３４】
より具体的には、発電機１がバックアップ用途向けに考案された発電機である場合、すなわち緊急的状況、たとえば停電が生じた場合に負荷６の電力要求を満たすために作動される場合、その緊急的状況が比較的短い（たとえば１０分程度）場合、油圧回路７と８間で熱交換器９によって、また熱担体流体（水）のかなりの熱容量によって交換された熱量は、酸化反応によってスタック５内に生じた過剰な熱を廃棄するのに、すなわちスタック５を最適な作動温度範囲内に維持するのにほぼ十分なものである。前記除去された熱は、好ましくはエレクトロライザ２に伝達され、したがってエレクトロライザ２は、好ましくは、それぞれの最適な作動温度範囲内に維持される。
【００３５】
さらに、発電機１は、好ましくは、スタック５内で起こる酸化反応によって生成された熱の消散のための手段１０であって、たとえば１つまたは複数の適切に配置されたファンＶｌ、Ｖ２を含む手段を備える。
【００３６】
特に、第２の消散手段１０は、緊急的状況、すなわち発電機１の稼動期間が比較的長時間に及ぶとき（たとえば１０分を超える停電）に稼動され、それにより、酸化反応によってスタック５内に生じた過剰な熱は部分的に消散され、部分的に油圧回路８、したがってエレクトロライザ２に伝達され、エレクトロライザ２は、好ましくは、それぞれの最適な作動温度範囲内に維持される。
【００３７】
発電機１は、好ましくは、エレクトロライザを最適な作動温度範囲内に維持するために油圧回路７および８、ならびに熱交換機９を管理するようにプログラムされた制御ユニット（図示せず）を備える。特に、制御ユニットは、スタック５およびエレクトロライザ２内の温度値を検出し伝送する手段と、油圧回路７および８内の熱担体流体の流れのそれぞれの遮断手段に接続される。
【００３８】
より具体的には、制御ユニットは、油圧回路７、８内の熱担体流体の流れ、したがって熱交換器９内の熱交換の効率および量も同様に調整するようにプログラムされ、その結果、スタック５からエレクトロライザ２に熱を効果的に伝達し、両方の温度をそれぞれの最適な作動温度範囲内に維持する。
【００３９】
さらに、制御ユニットは消散手段１０に接続され、制御ユニットは、スタック５の温度が所定の閾値を超えたことを検出したときに消散手段１０を稼動させる。関連する熱流を考えると、この事象は通常、発電機１、すなわちスタック５が負荷６に供給される電力を生成する作動期間が１０分を超えるとき（長時間の停電）に生じる。
【００４０】
使用時、発電機１が電気負荷に供給するために稼動されるとき、水素および酸素のそれぞれの流れは、タンク３、４からスタック５に送られる。スタック５内で生じる酸化反応は熱を生じさせ、この熱は、油圧回路７内での熱担体流体の循環の流れによって少なくとも部分的に除去される。熱交換機９では、前記熱は、油圧回路８内で循環する熱担体流体の流れに、そして直列式にエレクトロライザ２に放出され、したがってエレクトロライザ２は、その作動のための最適な温度範囲内の温度で維持される。
【００４１】
発電機１（すなわちスタック５）の電力生成における稼動期間が比較的短い場合（たとえば１０分程度）、油圧回路７と８の間で熱交換器９によって、また熱担体流体（水）のかなりの熱容量によって実施された熱交換の量は、それ自体、酸化反応によってスタック５内に生じた過剰な熱を廃棄するのにほぼ十分であり、したがってスタック５を最適な作動温度範囲内に維持する。そのような除去された熱は、好都合にはエレクトロライザ２に伝達され、エレクトロライザ２は、有利には、それぞれの最適な作動温度範囲内に維持される。
【００４２】
発電機１（すなわちスタック５）が電力を発生させる稼動状態が延長される場合、第２の消散手段１０も稼動され、それにより、酸化反応によってスタック５内に生じた過剰な熱は、部分的に消散され、油圧回路８、したがってエレクトロライザ２に部分的に伝達される。したがって、スタック５およびエレクトロライザ２は、有利には、それぞれの最適な作動温度範囲内に維持される。
【００４３】
発電機１が待機状態に設定されるとき、たとえば電気負荷に供給するためにその稼動を決定付けた停電が終了した後、エレクトロライザ２は、水から水素および酸素を生成するために稼動される理想的な温度となり、その結果、発電機１の次の介入を考慮して、タンク３、４の成分を取り戻すようになる。
【００４４】
それにより、発電機１の熱統合および効率性は大きく改善される。特に、部分的には発電機１の稼動期間が閾値の時間（たとえば１０分程度）を超えない限り、酸化反応によってスタック５内に生じた熱出力の量は、もはや消散されず、有利には、発電機２自体内で使用されるために、より具体的にはエレクトロライザ２に伝達するために回収される。
【００４５】
したがって、システムの最も効率的な熱統合が、エレクトロライザ２を最適な作動温度範囲内に維持するという利点と組み合わされる。
【００４６】
緊急的状況の終了時、すなわちスタック５の稼動状態が中断される一方で、エレクトロライザ２が、タンク３、４内の成分を取り戻し始めるとき、エレクトロライザ２は、最大限の効率性および出力に対応する状態下で即座に作動し、したがって上記で説明した従来の構成に関連付けられた低効率化への過渡事象を解消する。
【００４７】
熱統合の程度を増大させることにより、エネルギーの無駄が低減され、発電機１の最も繊細な構成要素の最大限の効率状態下での作動が促進されるため、有利には反応物の全体的な発生／消費プロセスの全体効率が向上する。
【００４８】
さらに、少なくとも発電機の稼動期間が所与の閾値の時間を超えるまでに及ばないとき、熱交換器９において実施された熱交換の量が、スタック５内に生じた過剰熱を廃棄するのに十分であるため、消散手段１０はもはや作動される必要がなく、したがって発電機１の補助構成要素に関する消費量の重要な低減、それと同時に構成要素自体の騒音および摩耗の大幅な低減も得られる。
【００４９】
有利には、スタック５の温度は、特に高い熱慣性を有する水などの熱担体流体が使用されるとき、熱担体流体を用いて熱を除去することによって制御されるため、温度制御はより効果的であり正確である。
【００５０】
さらに、スタック５とエレクトロライザ２間の熱結合は、熱担体流体の貯蔵タンクを挿入せずに２つの異なる回路７および８を用いて実施されるため、発電機１の全体のサイズおよび容積は、プロセス内の熱交換の満足のいく管理を確実にしながら、容易に抑制され得る。
【００５１】
本発明によって確実にされる、発電機１の全体サイズを抑制する可能性はまた、他の可能な補助構成要素を導入する空間がより多く利用可能になるために、これらを備えた発電機１を単一システム内にさらに組み込むということを見越して有利である。さらに、補助構成要素も同様に冷却される場合、本発明による発電機１によって確実にされた熱統合はまた、全体の熱消散の統合管理という点から有利になり得る。
【００５２】
最後に、本明細書で説明および例示されたシステムに対して、付属の特許請求の範囲の保護の範囲から逸脱することなく変更および変形が施されてよいことは明らかである。
【図１】
2013522836.tif 000003
【図２】
2013522836.tif 000004
【国際調査報告】
2013522836.tif 000005
2013522836.tif 000006