(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気を供給すると共に熱を放出する電源モジュールであって、前記電源モジュールは、アノード（１２ａ）及びカソード（１２ｂ）が設けられた少なくとも１つの燃料電池（１２）と、少なくとも１つの改質装置（１４）と、を有し、前記アノード（１２ａ）には、前記改質装置（１４）により、水素が供給され、且つ、前記カソード（１２ｂ）には、酸素が供給され、前記燃料電池（１２）は、熱除去ループ（２４）を含む、電源モジュールと、
第１ボイラ（４２）と、前記第１ボイラ（４２）に接続されている凝縮器（４６）と、前記凝縮器（４６）に接続されている蒸発器（４８）と、前記蒸発器（４８）に接続されている吸収器（５０）と、を有する吸収熱機関（４０）であって、前記第１ボイラ（４２）の熱交換回路（４２ａ）は、前記燃料電池を冷却するべく、前記燃料電池（１２）の前記熱除去ループ（２４）内において挿入されている、吸収熱機関と、
前記熱除去ループ（２４）とは異なる、閉じた液体循環回路（１０）であって、前記液体循環回路（１０）は、前記電源モジュールに対して熱結合された加熱回路（２６ａ、２８ａ、３０ａ、３２ａ）と、前記液体循環回路（１０）内において挿入された被加熱回路（２６ｂ、２８ｂ、３０ｂ、３２ｂ）と、を有する、少なくとも１つの熱交換器（２６、２８、３０、３２）を有し、前記液体循環回路（１０）は、前記加熱回路（２６ａ、２８ａ、３０ａ、３２ａ）との間において熱を交換し、これにより、前記液体循環回路（１０）の液体を加熱する、閉じた液体循環回路（１０）と、を有し、
前記蒸発器（４８）の熱交換回路（４８ａ）は、前記閉じた液体循環回路（１０）内において挿入されており、前記蒸発器（４８）の前記熱交換回路（４８ａ）は、前記液体循環回路（１０）の前記加熱された液体を冷却するべく、前記液体循環回路（１０）の前記加熱された液体が、前記熱交換器（２６、２８、３０、３２）の前記被加熱回路（２６ｂ、２８ｂ、３０ｂ、３２ｂ）を通過した後に、自身を通過するようにしている、設備（１００）において、
前記吸収熱機関（４０）の前記凝縮器（４６）は、空気を加熱するべく、前記カソード（１２ｂ）に且つ／又は前記改質装置（１４）に前記空気を供給する回路（１８）内において挿入された熱交換回路（４６ａ）を有し、
前記吸収熱機関（４０）の前記吸収器は、水を加熱するべく、前記水を前記改質装置（１４）に供給する回路（６８）内において挿入された熱交換回路（５０ａ）を有する設備（１００）。
【請求項２】
前記吸収熱機関（４０）は、二重効果吸収熱機関であり、前記二重効果吸収熱機関は、前記凝縮器（４６）に接続されている第２ボイラ（４４）を有することを特徴とする請求項１に記載の設備（１００）。
【請求項３】
前記熱交換器（２６）の前記加熱回路は、前記改質装置（１４）のバーナー（１４ａ）からのガスを排出する回路（１５）に対して接続されている第１の加熱回路（２６ａ）を含むことを特徴とする請求項１〜２のいずれか一項に記載の設備（１００）。
【請求項４】
前記熱交換器（２８）の前記加熱回路は、前記改質装置（１４）と前記アノード（１２ａ）の間において、アノード供給回路（１６）に対して接続されている第２の加熱回路（２８ａ）を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の設備（１００）。
【請求項５】
前記熱交換器（３０）の前記加熱回路は、アノード流体を排出するための、且つ、前記アノード（１２ａ）に接続された、回路（２０）に対して接続されている第３の加熱回路（３０ａ）を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の設備（１００）。
【請求項６】
前記熱交換器（３２）の前記加熱回路は、カソード流体を排出するための、且つ、前記カソード（１２ｂ）に接続された、回路（２２）に対して接続されている第４の加熱回路（３２ａ）を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の設備（１００）。
【請求項７】
前記熱交換器（２６）は、凝縮器であることを特徴とする請求項３に記載の設備（１００）。
【請求項８】
前記熱交換器（２８）は、凝縮器であることを特徴とする請求項４に記載の設備（１００）。
【請求項９】
前記熱交換器（３０）は、凝縮器であることを特徴とする請求項５に記載の設備（１００）。
【請求項１０】
前記熱交換器（３２）は、凝縮器であることを特徴とする請求項６に記載の設備（１００）。
【請求項１１】
前記熱交換器の前記凝縮器（２６、２８、３０、３２）内において回収された凝縮物液体は、凝縮物回路（３６）を介して前記改質装置（１４）に供給されることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載の設備（１００）。
【請求項１２】
前記燃料電池（１２）は、高温プロトン交換膜燃料電池であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の設備（１００）。
【請求項１３】
航空機に搭載されるのに適した設備であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の設備（１００）。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の設備（１００）を含む航空機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱を放出すると共に冷却を要する電気を供給する電源モジュールを有する設備を提供する。
【０００２】
更に詳しくは、本発明は、アノード及びカソードを有する少なくとも１つの燃料電池と、水素をアノードに供給する少なくとも１つの改質装置と、を有する電源モジュールを有する設備に関する。
【０００３】
本発明の設備は、特に、搭載型の、具体的には、飛行機などの航空機に搭載される、設備となるように特に適合されている。
【背景技術】
【０００４】
このような熱を放出する電源モジュールは、適切な稼働を保証するべく、冷却することを要する。具体的には、燃料電池は、その適切な動作温度において維持される必要がある。
【０００５】
電源モジュールと、このような電源モジュールを冷却するシステムと、を有する設備が知られている。このような設備の冷却システムは、電源モジュールとの間において熱を交換する流体を循環させ、これにより、前記液体を加熱する効果を得る閉じた循環ループを有する。加熱された液体は、次いで、空気を吹き出すファンに結合された放熱器を通過することにより、冷却される。また、この冷却システムは、特に燃料電池によって生成される熱を除去するための、且つ、燃料電池と共に内蔵された、ループをも有する。従って、液体循環ループと同様に、特に燃料電池によって放出される熱は、特に前記燃料電池によって生成される熱を除去するためのループ内を循環する液体によって抽出され、且つ、空気を吹き出すファンに結合された放熱器によって交換される。
【０００６】
このような液体を冷却するファンに結合された少なくとも１つの放熱器を伴う冷却システムは、大きくて扱いにくい。この結果、搭載型のシステムとして設置することが困難である。
【０００７】
更には、冷却システムは、効率が低く、且つ、その結果、電源モジュールの効率が低下することになる。
【０００８】
更には、冷却システムの性能は、ファンによって吹き出される外部空気と前記循環ループ及び前記熱除去ループの上述の液体の間の温度差によって左右される。特定の状況においては、この温度差が、特に、設備が、例えば、暑い国などの熱帯に位置する際に、限定される場合がある。
【０００９】
更には、この設備の場合には、循環ループとモジュールの高温ゾーンの間において交換された熱が、失われ、且つ、補助エネルギー源として使用されていない。これは、特に燃料電池によって生成されると共に、特に燃料電池によって生成された熱を除去するための前記ループとの間において交換される熱に対して当て嵌まる。
【００１０】
また、ある特許文献には、燃料電池に固有の熱を除去する回路内において挿入された吸収熱機関が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第第２００７／１１４８０２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、上述の欠点を少なくとも実質的に修復することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、設備を提案することにより、この目的を実現しており、この設備は、
電気を供給すると共に熱を放出する電源モジュールであって、電源モジュールは、アノード及びカソードが設けられた少なくとも１つの燃料電池と、少なくとも１つの改質装置と、を有し、アノードには、改質装置によって水素が供給され、且つ、カソードには、酸素が供給され、燃料電池は、熱除去ループを含む、電源モジュールと、
第１ボイラ、凝縮器、蒸発器、及び吸収器を有する吸収熱機関であって、第１ボイラの熱交換回路は、燃料電池を冷却するべく、燃料電池の熱除去ループ内において挿入されている、吸収熱機関と、
閉じた液体循環回路であって、前記液体循環回路は、電源モジュールに熱結合された加熱回路と、前記液体循環回路内において挿入された被加熱回路と、を有する少なくとも１つの熱交換器を有し、前記液体循環回路は、前記加熱回路との間において熱を交換し、これにより、循環回路の液体を加熱する、閉じた液体循環回路と、を有し、
蒸発器の熱交換回路は、前記閉じた液体循環回路内において挿入されており、蒸発器の前記熱交換回路は、前記液体循環回路の加熱された液体を冷却するべく、循環回路の前記加熱された液体が、前記熱交換器の被加熱回路を通過した後に、自身を通過するようにしている。
【００１４】
第１ボイラ、凝縮器、蒸発器、及び吸収器を有する吸収熱機関は、それ自体が既知であることを理解されたい。第１ボイラ、凝縮器、蒸発器、及び吸収器は、特定の熱を交換する熱交換器であり、即ち、これらは、熱エネルギー（熱）を１つの流体から別の流体に伝達するように機能する。
【００１５】
更には、「第１ボイラ」は、吸収熱機関が、１つのボイラのみに限定されるものではなく、例えば、後述するように、別のボイラを有してもよいことを意味するものと理解されたい。
【００１６】
吸収熱機関は、具体的には、蒸気を吸収するか又は除去する特定の流体の能力の結果として動作している。従って、熱機関は、流体のうちの一方が他方よりも揮発しやすい二元混合物を「作動流体」として使用しており、相対的に揮発しやすい流体は、「冷媒流体」と呼称される。
【００１７】
更には、燃料電池から熱を除去するループは、動作中に特に燃料電池によって生成される熱を抽出する熱伝達流体を有することが理解されよう。従って、燃料電池によって放出される熱を抽出した熱伝達流体は、吸収熱機関の第１ボイラの熱交換回路を通過し、そこで、抽出された熱を、第１ボイラ内に収容されている冷媒流体と吸収剤の混合物に対して付与することが理解されよう（この説明においては、「熱交換器」という用語は、熱を付与又は吸収する流体が流れる回路を意味するべく使用されている）。
【００１８】
これは、冷媒流体の一部分を沸騰させるか又は除去するという効果を有し、この部分は、次いで、凝縮器の熱交換回路内を流れる低温流体との熱交換によって凝縮されることによって液体冷媒流体を生成するべく、凝縮器に送られる。第１ボイラ内に留まっている吸収剤が豊富な混合物は、吸収器に供給される。
【００１９】
次いで、凝縮器を離脱した液体冷媒流体は、蒸発器の熱交換回路内を流れる相対的に高温の流体との熱交換によって蒸発するように、蒸発器を通過する。蒸発器を離脱したこの冷媒流体蒸気は、次いで、吸収器を通過し、ここで、この冷媒流体蒸気は、第１ボイラから到来する吸収剤が豊富な混合物によって吸収され、この結果、この吸収剤が豊富な混合物は、冷媒流体が混入した状態となる。この発熱反応によって放出される熱は、吸収器の熱交換回路内を流れる流体に対して伝達される。この結果、吸収器は、吸収剤が乏しい溶液を収容することになり、この溶液は、次いで、第１ボイラに供給される。
【００２０】
このような仕組みにより、燃料電池を、冷却することが可能であり、且つ、その最適な動作温度において維持することができる。
【００２１】
この説明においては、「交換器」とも呼称される前記熱交換器は、それ自体が既知である。上述のように、熱交換器は、１つの流体から別の流体に熱エネルギー（熱）を伝達するように機能する装置である。
【００２２】
「加熱回路」という用語は、本明細書においては、熱エネルギーを付与するために高温の流体が流れる回路を意味するべく、使用されている。従って、本明細書においては、「被加熱回路」という用語は、加熱回路内を流れる前記高温の流体から熱エネルギーを受け取るために低温の流体が流れる回路を意味するべく、使用されている。
【００２３】
更には、「熱結合された」という用語は、本明細書においては、加熱回路が、燃料電池及び／又は改質装置用の供給流体や、実際には、燃料電池及び／又は改質装置からの排出流体などのような、電源モジュールから到来する高温流体用の回路に内蔵されており、且つ、高温の流体が加熱回路を通過することを意味するべく、使用されている。
【００２４】
従って、前記熱交換器の加熱回路内を流れる高温流体は、前記熱交換器の被加熱回路内を流れる循環回路の液体に対して熱を伝達することが理解されよう。これは、電源モジュールから到来する高温の流体を冷却すると共に「循環回路の加熱された液体」と以下において呼称される循環回路の液体を加熱するという効果を有する。
【００２５】
また、循環回路の加熱された液体は、蒸発器の熱交換回路内を流れる上述の相対的に高温の液体をも構成することが理解されよう。従って、蒸発器の熱交換回路内を流れるこの高温の液体は、蒸発器内に収容されると共に凝縮器から到来した液体冷媒流体に対して熱を付与することが理解されよう。蒸発器の熱交換回路の出口において、循環回路の液体は、低温であり、且つ、前記熱交換器の前記加熱回路との間において熱を交換するべく、前記熱交換器の被加熱回路に取り込まれる。
【００２６】
これらの仕組みに起因し、電源モジュールは、適切な稼働を保証するべく、冷却される。
【００２７】
更には、これらの仕組みにより、設備のサイズと重量が極小化される。
【００２８】
また、これらの仕組みによれば、空気を吹き出すファンに結合された放熱器を使用することにより、特に燃料電池によって生成される熱を除去するループ内を流れる液体を冷却している従来技術による設備よりも、多くの熱出力を散逸させることができる。これは、吸収熱機関においては、冷媒流体が、閉じた回路内を循環しており、冷媒流体の潜熱（冷媒流体が状態を変化させる際に交換される熱の量）が、吸収熱機関を動作させるために使用されているという事実に起因している。流体は、特に燃料電池によって生成される熱がファンによって吹き出される空気との間において交換される従来技術による設備において発生しているように、顕熱（流体の相の変化を伴わない熱交換）に起因し、その温度が上昇する際よりも、状態を変化させる際に、単位重量当たりに相対的に多くのエネルギーをピックアップする。
【００２９】
更には、これらの仕組みに起因し、設備は、空気を吹き出すファンに結合された放熱器を有する前記従来技術による装置と比べて、外部温度に晒されることが少ない。吸収熱機関の動作は、主には、吸収器に供給される熱エネルギーに依存していることから、外部条件が、その効率に対して、ほとんど又はまったく影響を及ぼさない。
【００３０】
更には、本発明の設備においては、循環回路の液体は、閉じた回路内を循環し、且つ、前記熱交換器の被加熱回路を通過した後に、熱を蒸発器に伝達することにより、冷却される。従って、循環回路の液体の冷却が、外部条件に依存してはいない。
【００３１】
従って、本発明の設備は、その環境から独立したものとなっている。
【００３２】
最後に、これらの仕組みに起因し、電源モジュールのエネルギー効率（電気及び熱のコジェネレーション）が最適化されており、その理由は、電源モジュールによって生成される熱が、吸収熱機関を動作させるために使用されているからである。即ち、この熱エネルギーは、前記熱交換器の被加熱回路を通過した後に、循環回路の液体を冷却するために使用されている。次いで、この冷却された液体は、前記熱交換器の加熱回路との間において熱を交換するべく、前記熱交換器の被加熱回路に供給されている。
【００３３】
更には、吸収熱機関の凝縮器は、空気を加熱するべく、空気をカソードに且つ／又は改質装置に供給する回路内において挿入された熱交換回路を有する。
【００３４】
凝縮器の熱交換回路内を流れる上述の相対的に低温の流体は、空気であることが理解されよう。この空気は、例えば、外部環境から到来してもよく、且つ、この空気は、冷媒流体の蒸気から熱を吸収し、これにより、空気を加熱するという効果を有する。
【００３５】
これらの仕組みに起因し、熱エネルギーは、カソードに、且つ、改質装置に、且つ、特に、前記改質装置のバーナーに、供給される空気を加熱するべく、回収される。
【００３６】
特定の実施形態においては、吸収熱機関の吸収器は、水を加熱するべく、改質装置に水を供給する回路内において挿入された熱交換回路を有する。
【００３７】
動作の際には、改質装置に、水を、好ましくは、高温の水又はスチームを、供給する必要があることが理解されよう。この例においては、改質装置は、燃料と水（スチーム）の間における高温（約８００℃）の触媒反応を実行することにより、スチームを改質し、これにより、水素が豊富なガスを生成している。この反応は、一般に、第２の触媒反応により、即ち、一酸化炭素及びスチームを水素及び二酸化炭素に変換するようにガスをスチームと反応させるステップにより、後続されている。
【００３８】
従って、吸収器の熱交換回路内を流れる上述の流体は、水であり、この例においては、特に、低温の水である。蒸発する際に、低温の水は、蒸発器を離脱し、且つ、吸収器内に注入される冷媒流体蒸気からの熱伝達により、熱を「ピックアップ」する。このようにして蒸発した水が、改質装置に供給される。
【００３９】
特定の実施形態においては、吸収熱機関は、二重効果吸収熱機関であり、前記二重効果吸収熱機関は、第２ボイラを有する。
【００４０】
このような二重効果吸収熱機関は、それ自体が既知である。
【００４１】
第２ボイラを有するこの二重効果吸収熱機関は、第２ボイラには、第１ボイラ内に留まっている吸収剤の豊富な混合物が供給され、且つ、第１ボイラを離脱した冷媒流体の蒸気が、前記第２ボイラの熱交換回路を通過しているという点において、第１ボイラのみを有する吸収熱機関と異なっている。従って、第１ボイラを離脱した冷媒流体の蒸気は、第１ボイラから到来する吸収剤が豊富な混合物との間において熱を交換する。この結果、これは、第１ボイラから到来する吸収剤が豊富な混合物の冷媒流体の残りの部分を沸騰させるか又は除去するという効果を有する。第２ボイラ内においてこのようして生成される冷媒流体蒸気は、凝縮器に供給される。また、これは、第１ボイラから到来すると共に第２ボイラの熱交換回路を通過する冷媒流体蒸気を凝縮するという効果をも有する。第２ボイラの熱交換回路の出口においてこのようにして得られる冷媒流体液体は、凝縮器に供給される前に、膨張する。更には、第２ボイラ内に留まっている吸収剤が豊富な溶液は、吸収器に供給される。
【００４２】
この仕組みによれば、燃料電池の動作によって放出される熱を二回にわたって利用することができる。従って、この仕組みによれば、電源モジュールのエネルギー効率を最適化できることが理解されよう。この二重効果熱機関によれば、１を上回る性能係数（Coefficient  Of  Performance：COP）を得ることができる。
【００４３】
特定の実施形態においては、このような熱交換器の加熱回路は、改質装置のバーナーからのガスを排出する回路に接続されている。例えば、熱交換器は、凝縮器である。
【００４４】
この説明においては、凝縮器は、それ自体が既知であり、且つ、ガスを凝縮すると共に対応する凝縮物液体を回収するように機能する熱交換器を構成している。一例として、液体は、水である。改質装置のバーナーは、高温の燃焼した燃焼ガスを排出することが理解されよう。高温の燃焼ガスは、熱交換器の加熱回路内を流れると共に熱交換器の被加熱回路を通じて流れる循環回路の液体と間において熱を交換し、これにより、前記液体を加熱する。次いで、循環回路のこの加熱された液体は、蒸発器の熱交換回路に供給され、且つ、蒸発器の前記熱交換回路を相対的に低温において離脱する。
【００４５】
更には、この説明においては、改質装置がスチームを改質していることから、燃焼したガス中に含まれる水も、改質装置に再注入されるべく、回収される。
【００４６】
特定の実施形態においては、このような熱交換器の加熱回路は、改質装置とアノードの間においてアノード供給回路に接続されている。一変形においては、このような熱交換器は、凝縮器である。
【００４７】
改質装置は、水素が豊富な高温のガスを生成することが理解されよう。従って、燃料電池の損傷を回避するべく、水素が豊富なガスを冷却する必要があり、且つ、水素が豊富なガスが含んでいる水を、アノードに供給する前に、除去する必要がある。これを目的として、この水素が豊富なガスは、熱交換器の被加熱回路を通じて流れる循環回路の液体との間において熱を交換すると共にこのガスが含んでいる水を凝縮することにより、循環回路の前記液体を加熱するべく、熱交換器の加熱回路を通過する。次いで、循環回路のこの加熱された液体は、蒸発器の熱交換回路に供給され、且つ、蒸発器の前記熱交換回路を相対的に低温において離脱する。更には、凝縮した水は、先程と同様に、改質装置に戻される。
【００４８】
特定の実施形態においては、このような熱交換器の加熱回路は、アノード流体を排出するための、且つ、アノードに対して接続された、回路に接続されている。一変形においては、このような熱交換器は、凝縮器である。
【００４９】
アノードから排出されたガスは、前記熱交換器の被加熱回路内を流れる循環回路の液体との間において熱を交換することにより、前記液体を加熱するべく、熱交換器の加熱回路を通過することが理解されよう。次いで、循環回路のこの加熱された液体は、蒸発器の熱交換回路に供給され、且つ、蒸発器の前記熱交換回路を相対的に低温において離脱する。更には、このガスの水は、改質装置に供給するべく、回収される。
【００５０】
特定の実施形態においては、このような熱交換器の加熱回路は、カソード流体を排出するための、且つ、カソードに対して接続された、回路に接続されている。一変形においては、このような熱交換器は、凝縮器である。
【００５１】
カソードから排出されたガスは、熱交換器の被加熱回路内を流れる循環回路の液体との間において熱を交換することにより、前記液体を加熱するべく、熱交換器の加熱回路を通過することが理解されよう。次いで、循環回路のこの加熱された液体は、蒸発器の熱交換回路に供給され、且つ、蒸発器の前記熱交換回路を相対的に低温において離脱する。更には、このガスからの水は、改質装置に供給するべく、回収される。
【００５２】
特定の実施形態においては、このような凝縮器内において回収された凝縮物液体は、凝縮物回路を介して改質装置に供給されている。
【００５３】
上述のように、改質装置は、スチームを改質することによって動作しており、且つ、水の供給を必要としている。従って、その又はそれぞれの凝縮器内において回収された水は、凝縮物を構成しており、且つ、改質装置に供給されることが理解されよう。
【００５４】
特定の実施形態においては、燃料電池は、高温プロトン交換膜燃料電池である。
【００５５】
このタイプの燃料電池は、そのアノードに供給するべく改質装置によって生成される水素が豊富なガスを受け取ると共にそのカソードに供給するべく外部空気から到来する酸素を受け取るという利点を有する。
【００５６】
更には、このタイプの燃料電池は、コジェネレーションに適している。公称動作の際に、このタイプの燃料電池は、ほぼ電力と同等の熱出力を供給する。
【００５７】
特定の実施形態においては、設備は、搭載型の設備である。
【００５８】
また、本発明は、上述の設備を含む航空機を提供する。
【００５９】
この説明においては、いくつかの実施形態について記述している。しかしながら、そうではない旨が特記されていない限り、任意の一実施形態を参照して記述されている特性は、任意のその他の実施形態に適用されてもよい。
【００６０】
本発明及びその利点は、非限定的な例として付与されている本発明の一実施形態に関する以下の詳細な説明を参照することにより、更に十分に理解することができよう。説明においては、以下の１つの添付図面を参照している。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は、本発明の電源モジュールを有する設備の図である。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
図１は、基本的に、熱を放出する電源モジュールと、以下において「循環回路１０」と呼称される、液体を循環させる閉じた回路１０と、を有する設備１００を示している。この例においては、循環回路１０内の液体は、水である。
【００６３】
この説明においては、設備１００は、飛行機などの航空機に搭載されている。従って、この例においては、循環回路１０の水は、飛行機の水供給源から到来している。
【００６４】
電源モジュールは、アノード１２ａと、カソード１２ｂと、を有する燃料電池１２を有する。また、電源モジュールは、水素が豊富な高温のガスを生成するバーナー１４ａを有する改質装置１４をも有する。この例においては、改質装置１４は、スチーム改質ステップを実行し、このステップは、燃料と水（スチーム）の間における高温（約８００℃）の触媒反応を有し、この結果、水素が豊富なガスが生成される。この反応は、一般に、第２の触媒反応により、即ち、水（スチーム）中におけるガスの反応により、後続され、この結果、一酸化炭素及び水（スチーム）が水素及び二酸化炭素に変換される。これらの反応の結果として得られると共に、以下、この説明においては、「燃焼した」ガスと呼称される高温の燃焼ガスは、バーナーからガスを排出する回路１５を通過した後に、出口Ｓ１を介して、バーナーにより、飛行機から外に排出される。
【００６５】
更には、この例においては、燃料電池１２は、公称動作の際に、電力とほとんど同一の熱出力を供給する高温プロトン交換膜を有する燃料電池である。このタイプのセル１２は、改質装置１４の出口をアノード１２ａの入口に接続するアノード供給回路１６を通じて、改質装置１４によって生成された水素が豊富なガスのアノード供給を受け入れるという利点を有している。また、このタイプのセル１２は、外部空気から取得された酸素のカソード供給をも、受け入れている。
【００６６】
この外部空気は、カソード１２ｂに且つ改質装置１４のバーナー１４ａに空気を供給する回路１８により、取り込まれる。更には、この供給回路１８は、改質装置１４に、且つ、更に正確には、そのバーナー１４ａにも、供給している。
【００６７】
アノードガスを、即ち、アノード１２ａを離脱するガスを、排出する排出回路２０は、前記ガスを排出するべく、アノード１２ａの出口を出口Ｓ２を介して飛行機の外部に接続している。更には、カソードガスを、即ち、カソード１２ｂを離脱するガスを、排出する排出回路２２は、このガスを排出するために、カソード１２ｂの出口を出口Ｓ３を介して飛行機の外部に接続している。
【００６８】
燃料電池１２は、前記電池１２の動作によって生成された熱を除去するループ２４を有する。この例においては、熱伝達流体は、前記ループ２４内を循環し、且つ、燃料電池の動作によって生成された熱を抽出する。
【００６９】
また、この設備１００は、この例においては、凝縮器である、４つの熱交換器２６、２８、３０、及び３２をも有する。一変形においては、設備１００は、更に多くの又は少ない数の熱交換器及び／又は凝縮器を有することができよう。
【００７０】
それぞれの凝縮器２６、２８、３０、及び３２は、電源モジュールに対して熱結合された加熱回路２６ａ、２８ａ、３０ａ、又は３２ａを有しており、即ち、加熱回路は、電池１２用の供給流体や、実際には、電池１２からの且つ／又は改質装置１４からの排出流体などの電源モジュールから到来する高温流体用の回路に内蔵されている。従って、加熱回路２６ａ、２８ａ、３０ａ、及び３２ａは、それぞれ、バーナー１４ａからの燃焼したガスを、アノード供給回路１６に、アノードガスを排出する回路２０に、且つ、カソードガスを排出する回路２２に、排出する回路１５に接続されている。
【００７１】
更には、それぞれの凝縮器２６、２８、３０、及び３２は、水循環回路１０内において挿入された個々の被加熱回路２６ｂ、２８ｂ、３０ｂ、又は３２ｂをも有する。「挿入された」という用語は、循環回路１０内の水が、被加熱回路２６ｂ、２８ｂ、３０ｂ、及び３２ｂのそれぞれを通じて流れることを意味するものと理解されたい。更には、被加熱回路２６ｂ、２８ｂ、３０ｂ、及び３２ｂは、前記液体循環回路１０の第１水パイプ１０ａと第２水パイプ１０ｂの間において、水循環回路１０内において、相互の関係において並列に挿入されている。
【００７２】
更には、それぞれの凝縮器２６、２８、３０、及び３２は、凝縮水タンク２６ｃ、２８ｃ、３０ｃ、又は３２ｃを有する。この回収された凝縮水は、凝縮物回路３６により、改質装置１４に注入されている。
【００７３】
燃料電池１２の内部温度を制御するべく、且つ、従って、その適切な動作を保証するべく、燃料電池は、冷却する必要がある。この例においては、電池１２は、高温プロトン交換膜タイプであることから、その温度は、約１７０℃において維持される必要がある。これを目的として、設備は、吸収熱機関４０を有し、これは、この例においては、二重効果熱機関である。この二重効果吸収熱機関４０は、それ自体が既知であり、且つ、以下においては、「熱機関」と呼称される。
【００７４】
説明の以下の部分においては、熱機関４０の構造について説明する。「上流」及び「下流」という用語は、吸収熱機関を通じた冷却流体の且つ／又は吸収剤の通常の流れの方向との関係において定義されている。
【００７５】
熱機関は、基本的に、冷却流体と吸収剤の混合物を有する第１ボイラ４２を有する。この例における冷却流体は、水であり、且つ、吸収剤は、臭化リチウムである。第１ボイラ４２内に収容されたこの混合物は、以下においては、「希釈された」又は「吸収剤が乏しい」状態にあると表現される。
【００７６】
また、熱機関４０は、第２ボイラ４４と、凝縮器４６と、蒸発器４８と、吸収器５０と、をも有する。
【００７７】
更には、この吸収熱機関４０においては、
第１ボイラ４２の熱交換回路４２ａは、燃料電池１２の熱除去回路２４内において挿入されており、
３つのサブ回路５２ａ、５２ｂ、及び５２ｃを有する第１冷媒回路５２は、第１ボイラ４２を凝縮器４６に接続しており、
第２ボイラ４４の熱交換回路４４ａは、第１冷媒回路５２内において挿入されており、
第１膨張器５４は、第２ボイラ４４の熱交換回路４４ａの下流において、且つ、凝縮器４６の上流において、第１冷媒回路５２内において挿入されており、
第２冷媒回路５６は、第２ボイラ４４を凝縮器４６に接続しており、
第２ボイラ４４の供給回路５８は、第１ボイラ４２を第２ボイラ４４に接続しており、
凝縮器４６の熱交換回路４６ａは、カソードに、且つ、改質装置１４のバーナー１４ａに、空気を供給するべく、供給回路１８内において挿入されており、
第３冷媒回路６２は、凝縮器４６を蒸発器４８に接続しており、
第２膨張器６４は、凝縮器４６の下流において、且つ、蒸発器４８の上流において、第３冷媒回路６２内において挿入されており、
蒸発器４８の熱交換回路４８ａは、それぞれの熱交換器２６、２８、３０、又は３２の被加熱回路２６ｂ、２８ｂ、３０ｂ、又は３２ｂの下流において、水循環回路１０内において挿入されており、
第４冷媒回路６６は、蒸発器４８を吸収器５０に対して接続しており、
吸収器５０の熱交換回路５０ａは、水を改質装置１４に供給する回路６８内において挿入されており、この回路６８は、この例においては、その供給源を低温の水の供給源から得ており、
吸収剤の豊富な混合物を供給する供給回路７０は、第２ボイラ４４を吸収器５０に接続しており、且つ、
第１ボイラ４２の供給回路７２は、吸収器５０の下流において、且つ、第１ボイラ４２の上流において、第１ボイラ４２の供給回路７２に接続されたポンプ７４を介して、吸収器５０を第１ボイラ４２に接続している。
【００７８】
また、この熱機関４０は、吸収剤が豊富な混合物用の回路７０内において挿入された第１熱交換回路７６ａと、第１ボイラ４２の供給回路７２内において挿入された第２熱交換器回路７６ｂと、を有する第１熱交換器７６をも有する。
【００７９】
また、熱機関４０は、第２ボイラ４４の供給回路５８内において挿入された第１熱交換回路７８ａと、第１ボイラ４２の供給回路７２内において挿入された第２熱交換回路７８ｂと、を有する第２熱交換器７８をも有する。
【００８０】
以下、本発明の設備１００の動作について説明する。
【００８１】
改質装置１４に供給するための水を回収するべく、燃焼ガス凝縮器２６の加熱回路２６ａは、バーナー１４ａからのガスを排出する回路１５に対して接続されている。バーナー１４ａから排出された燃焼ガスは、循環回路１０の水が循環している燃焼ガス凝縮器２６の被加熱回路３２ｂとの間において熱を交換している前記加熱回路２６ａを通過する。更には、燃焼ガス中に含まれる凝縮水も、前記燃焼ガス凝縮器２６のタンク２６ｃ内において回収され、且つ、凝縮物回路３６を介して改質装置１４に供給される。
【００８２】
上述と同様の方式により、水は、改質装置１４に再注入するべく、アノード回路１６により、改質装置１４を離脱する水素が豊富な高温のガスから回収される。更には、改質装置１４を離脱するこの水素が豊富なガスは、アノード１２ａに供給する前に、冷却及び脱水する必要がある。これを目的として、アノード前凝縮器２８の加熱回路２８ａがアノード供給回路１６に接続されている。この結果、改質装置１４を離脱した水素が豊富なガスは、アノード前凝縮器２８の加熱回路２８ａを通過し、且つ、循環回路１０の水が循環している前記凝縮器２８の被加熱回路２８ｂとの間において熱を交換する。アノード前凝縮器２８のタンク２８ｃ内において回収された凝縮水は、凝縮物回路３６により、改質装置１４に注入される。
【００８３】
また、アノード１２ａから排出されたガス中に含まれる水も、回収される。これを目的として、アノード後凝縮器３０の加熱回路３０ａが、アノードガス排出回路２０に接続されている。アノード１２を離脱した高温の流体は、アノード後凝縮器３０の加熱回路３０ｂを通過し、且つ、循環回路の水が循環しているアノード後凝縮器３０の被加熱回路３０ｂとの間において熱を交換する。上述と同様に、アノード後凝縮器３０のタンク３０ｃ内において回収された凝縮水は、凝縮物回路３６により、改質装置１４に注入される。
【００８４】
最後に、カソード１２ｂから排出されたガス中に含まれる水が回収される。従って、カソード後凝縮器３２の加熱回路３２ａがカソードガス排出回路２２に接続されている。カソード１２ｂを離脱した高温の流体は、カソード後凝縮器３２の加熱回路３８ａを通過し、且つ、循環回路の水が循環しているカソード後凝縮器３２の被加熱回路３８ｂとの間において熱を交換する。前記カソード後凝縮器３２のタンク３２ｃ内において回収された凝縮水は、凝縮物回路３６により、改質装置１４に戻される。
【００８５】
従って、それぞれの被加熱回路２６ｂ、２８ｂ、３０ｂ、又は３２ｂを離脱した循環回路１０の水は、加熱され、且つ、以下においては、「高温の水」と呼称されることを理解されたい。
【００８６】
更には、上述のように、燃料電池１２は、冷却する必要がある。
【００８７】
これを目的として、燃料電池１２から熱を除去するべく、第１ボイラ４２の熱交換回路４２ａがループ２４内において挿入されている。
【００８８】
従って、燃料電池１２の動作によって生成された熱を抽出した前記ループ２４の熱伝達流体は、第１ボイラ４２内に収容された冷媒流体と吸収剤の混合物（以下においては、「希釈されたもの」又は「吸収剤が乏しいもの」と呼称される）との間において、この熱を交換する。
【００８９】
この結果、これは、第１ボイラ４２内に収容された希釈された混合物の冷媒流体の部分を沸騰させるか又は除去するという効果を有する。第１ボイラ４２内に留まっている混合物は、水を「失っている」ことから、これは、「第１ボイラ４２の吸収剤が豊富な混合物」と呼称される。
【００９０】
第１ボイラ４２のこの吸収剤が豊富な混合物は、第２ボイラ４４の供給回路５８を介して第２ボイラ４４に供給される。更には、第１ボイラ４２内において生成された前記冷媒流体蒸気は、第１冷媒回路５２の第１サブ回路５２ａを通過し、且つ、熱交換回路４４ａ及び第２ボイラ４４を通過する。この結果、第２ボイラ４４の熱交換回路４４ａを通過するこの冷媒流体蒸気は、第２ボイラ４４内に収容された第１ボイラ４２の吸収剤が豊富な混合物との間において、熱を交換する。
【００９１】
これは、第１ボイラ４２から到来すると共に第２ボイラ４４内において収容されたこの吸収剤が豊富な混合物に含まれる残留液体冷媒流体を沸騰させるか又は除去するという効果を有する。
【００９２】
第２ボイラ４４内において生成された冷媒流体蒸気は、凝縮器４６に供給するべく、第２冷媒回路５６を介して凝縮器４６に供給される。更には、第１ボイラ４２から到来した冷媒流体蒸気は、凝縮された形態で、第２ボイラ４４の熱交換回路４４ａを離脱する。
【００９３】
このようにして生成される液体冷媒流体は、第１冷媒回路５２の第２サブ回路５２ｂを通過し、且つ、第１膨張器５４によって膨張する。
【００９４】
このようにして生成された冷媒流体蒸気は、凝縮器４６に供給するべく、第１冷媒回路５２の第３サブ回路５２ｃを通過する。
【００９５】
第２ボイラ４４内に残っている混合物は、冷媒が乏しいことから、これは、以下の説明においては、「第２ボイラ４４の吸収剤が豊富な混合物」と呼称される。第２ボイラ４４のこの吸収剤が豊富な混合物は、吸収剤が豊富な混合物を供給する供給回路７０を介して、吸収器５０に供給される。
【００９６】
第３サブ回路５２ｂから到来した凝縮器４６内に収容された冷媒流体蒸気は、カソード１２ｂの、且つ、改質装置１４のバーナー１４ａの、空気供給回路１８内において挿入された凝縮器４６の熱交換回路４６ａとの間の熱交換により、凝縮される。空気は、前記冷媒流体蒸気よりも低温であることから、この蒸気は、収容している熱を空気に対して伝達し、これにより、高温の空気を生成する。凝縮器の熱交換回路４６ａを離脱したこの高温の空気は、燃料電池１２のカソード１２及び改質装置１４のバーナー１４ａに供給される。
【００９７】
更には、凝縮器４６内において形成された液体冷媒流体は、第３冷媒回路６２を介して前記凝縮器４６を離脱し、且つ、第２膨張器６４を通じたスロットル操作が適用された後に、蒸発器４８に供給される。スロットル操作は、液体冷媒流体の圧力を低下させるという効果を有する。
【００９８】
更には、上述のように、蒸発器４８の熱交換回路４８ａは、それぞれの熱交換器２６、２８、３０、及び３２の被加熱回路２６ｂ、２８ｂ、３０ｂ、及び３２ｂの出口の下流において、水循環回路１０内において挿入されている。従って、熱交換器２６、２８、３０、及び３２のそれぞれの熱交換器の被加熱回路２６ｂ、２８ｂ、３０ｂ、及び３２ｂを離脱した循環回路１０からの水は、蒸発器４８の熱交換回路４８ａを通過する。循環回路１０からのこの高温の水は、第３冷媒回路６２を介して蒸発器４８内において収容された液体冷媒流体よりも高い温度を有することから、循環回路１０の前記高温の水は、蒸発器４８内において収容されている液体冷媒流体に対して熱を伝達する。
【００９９】
これは、蒸発器内において収容された冷媒流体を蒸発させると共に循環回路の高温の水を冷却するという効果を有し、且つ、循環回路のこの冷却された高温の水は、以下の説明においては、「低温の水」と呼称される。次いで、低温の水は、凝縮器２６、２８、３０、及び３２のうちのそれぞれの凝縮器の被加熱回路２６ｂ、２８ｂ、３０ｂ、及び３２ｂとの間において熱を交換するように、凝縮器２６、２８、３０、及び３２のうちのそれぞれの凝縮器の加熱回路２６ａ、２８ａ、３０ａ、及び３２ａに供給される。
【０１００】
この後に、蒸発器４８内において生成されたこの冷媒流体は、吸収器５０に供給されるべく、第４冷媒流体蒸気回路６６を通過する。
【０１０１】
吸収器５０の熱交換回路５０ａは、改質装置１４の水供給回路６８内において挿入されていることから、この低温の水は、蒸発の際に、蒸発器４８から到来した冷媒流体蒸気の吸収によって放出される熱をピックアップする。この結果、これは、冷媒流体蒸気を凝縮するという効果を有しており、冷媒流体蒸気は、吸収剤が豊富な混合物を供給する供給回路７０を介して前記ボイラ４４から到来する第２ボイラ４４の吸収剤が豊富な混合物と混合された状態となる。吸収器５０内において得られたこの混合物は、吸収器の希釈された混合物を構成しており、且つ、ポンプ７４により、第１ボイラ４２の供給回路７２を介して第１ボイラ４２に供給される。
【０１０２】
更には、吸収剤が豊富な混合物用の回路７０内において挿入された第１熱交換器７６の第１回路７６ａは、この混合物から熱を吸収し、且つ、第１ボイラ４２の供給回路７２内において挿入されたその第２回路７６ｂに対して熱を伝達する。
【０１０３】
同様に、第２ボイラ４４の供給回路５８内において挿入された第２熱交換器７８の第１回路７８ａは、第１ボイラ４２の吸収剤が豊富な混合物の熱をピックアップし、且つ、第１ボイラ４２の供給回路７２内において挿入されたその第２回路７８ｂに対して熱を伝達する。
【０１０４】
第１及び第２熱交換器７６及び７８は、吸収器５０内において除去することを要する熱の量を低減するように機能する。
【０１０５】
従って、本発明の設備によれば、利用可能な冷蔵出力が１００キロワット（ｋＷ）である場合に、約４０ｋＷが、カソードを離脱するガス中に含まれた水を回収するべく使用され、約３０ｋＷが、アノードに供給する水素が豊富なガス中に含まれた水を回収するべく使用され、約２５ｋＷが、高温の燃焼ガス中に含まれた水を回収するべく使用され、且つ、約５ｋＷが、アノードを離脱したガス中に含まれた水を回収するべく使用される。
【０１０６】
特定の実施形態を参照し、本発明について説明したが、請求項によって定義される本発明の一般的な範囲を逸脱することなしに、この例に対して変更及び変形を実施してもよいことが明らかである。具体的には、図示及び／又は記述されている実施形態の個々の特性は、オリジナルの実施形態において組み合わせられてもよい。従って、説明及び図面は、限定の意味ではなく、例示の意味において、検討することを要する。
【図１】
0006666148.tif 000002