(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれがアノードおよびカソードを備える複数の燃料電池を備え、水素アノードガスおよび給気カソードガスを受け、アノード排気ガスおよびカソード排気ガスを排出する燃料電池スタック（１２）と、
前記給気カソードガスを供給するために前記給気カソードガスを圧縮する圧縮機（４４）と、
第１の冷却剤ループを通って流れる冷却流体を備える第１の冷却剤ループ（５８）であって、
前記圧縮された給気カソードガスを受けて冷却する第１の熱交換器（５２）と、
前記圧縮された給気カソードガスおよび前記燃料電池スタック（１２）によって加熱された前記冷却流体を冷却するための第２の熱交換器と、
前記燃料電池スタック（１２）を通って走っている冷却チャネル（２４）と
を備える、第１の冷却剤ループ（５８）と、
前記圧縮された給気カソードガスを受けて前記圧縮された給気カソードガスを冷却する、前記圧縮機（４４）と前記第１の熱交換器（５２）との間に配置された第１の伝熱式熱交換器（７２）と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記伝熱式熱交換器は、伝熱式熱交換器を通って流れる前記給気カソードガスを冷却するために前記カソード排気ガスを受ける請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
膨脹器シャフトによって前記圧縮機と機械的に結合され、前記圧縮機を駆動するために前記膨脹器シャフトを回転させるように、前記伝熱式熱交換器から前記加熱されたカソード排気ガスを受けるカソード排気ガス膨脹器をさらに備える請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記アノード排気ガスおよび前記カソード排気ガスを受け、前記カソード排気ガス膨脹器に送られる前に前記カソード排気ガスをさらに加熱するために、前記アノード排気ガス内の残留水素を燃焼させるアノード排気ガス燃焼器をさらに備える請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
第２の伝熱式熱交換器（１５２）および排気熱交換器をさらに備え、前記第２の伝熱式熱交換器（１５２）は前記第１の伝熱式熱交換器（７２）と前記第１の熱交換器（５２）との間に設けられ、前記第２の伝熱式熱交換器および排気熱交換器が、第２の冷却剤ループを通って流れる冷却流体を有する第２の冷却剤ループの一部であり、前記第２の伝熱式熱交換器もまた、燃料電池スタックに加えられる前に前記圧縮された給気カソードガスを受けて冷却し、前記排気熱交換器が、前記第２の伝熱式熱交換器を通って流れる第２の冷却剤ループ内の前記冷却流体を受け、この冷却流体を冷却する請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記第２の熱交換器が、加圧された空気によって前記第１の冷却剤ループ内の前記冷却流体を冷却するラジエータファンモジュールである請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記圧縮された給気カソードガスを受け、前記燃料電池スタックに送られる前に水蒸気を前記圧縮された給気カソードガスと混合する加湿ユニットをさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記カソード排気ガスを受け、そこから液体の水を除去する液体分離機をさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記カソード排気ガスを受けて冷却する排気ガス熱交換器をさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記燃料電池システムが車両上にある請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
それぞれがアノードおよびカソードを備える複数の燃料電池を備え、水素アノードガスおよび給気カソードガスを受け、アノード排気ガスおよびカソード排気ガスを排出する燃料電池スタックと、
前記給気カソードガスを供給するために前記給気カソードガスを圧縮する圧縮機と、
第１の冷却剤ループを通って流れる冷却流体を備える第１の冷却剤ループ（５８）であって、
前記圧縮された給気カソードガスを受けて冷却する第１の熱交換器（５２）と、
前記圧縮された給気カソードガスおよび前記燃料電池スタック（１２）によって加熱された前記冷却流体を冷却するための第２の熱交換器と、
前記燃料電池スタック（１２）を通って走っている冷却チャネル（２４）と
を備える、第１の冷却剤ループ（５８）と、
膨脹器シャフトによって前記圧縮機と機械的に結合され、前記カソード排気ガスを受けて、前記圧縮機を駆動するために前記膨脹器シャフトを回転させるカソード排気ガス膨脹器と、
伝熱式熱交換器および排気熱交換器とを備え、
前記伝熱式熱交換器および排気熱交換器が、第２の冷却剤ループを通って流れる冷却流体を有する第２の冷却剤ループの一部であり、前記伝熱式熱交換器もまた、燃料電池スタックに加えられる前に前記圧縮された給気カソードガスを受けて冷却し、前記排気熱交換器が、前記伝熱式熱交換器を通って流れる前記冷却流体を受け、この冷却流体を冷却する、
燃料電池システム。
【請求項１２】
前記アノード排気ガスおよび前記カソード排気ガスを受け、前記カソード排気ガス膨脹器に送られる前に前記カソード排気ガスを加熱するために、前記アノード排気ガス内の残留水素を燃焼させるアノード排気ガス燃焼器をさらに備える請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記カソード排気ガスを受け、そこから液体の水を除去する液体分離機をさらに備える請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記燃料電池システムが車両上にある請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
それぞれがアノードおよびカソードを備える複数の燃料電池を備え、水素アノードガスおよび給気カソードガスを受け、アノード排気ガスおよびカソード排気ガスを排出する燃料電池スタックと、
前記給気カソードガスを供給するために前記給気カソードガスを圧縮する圧縮機と、
第１の冷却剤ループを通って流れる冷却流体を備える第１の冷却剤ループ（５８）であって、
前記圧縮された給気カソードガスを受けて冷却する第１の熱交換器（５２）と、
前記圧縮された給気カソードガスおよび前記燃料電池スタック（１２）によって加熱された前記冷却流体を冷却するための第２の熱交換器と、
前記燃料電池スタック（１２）を通って走っている冷却チャネル（２４）と
を備える、第１の冷却剤ループ（５８）と、
前記圧縮された給気カソードガスを受けて前記圧縮された給気カソードガスを冷却する、前記圧縮機と前記第１の熱交換器（５２）との間に配置された第１の伝熱式熱交換器と、
前記アノード排気ガスおよび前記カソード排気ガスを受け、前記カソード排気ガスを更に加熱するために、前記アノード排気ガス内の残留水素を燃焼させるアノード排気ガス燃焼器と、
膨脹器シャフトによって前記圧縮機と機械的に結合され、前記圧縮機を駆動するために前記膨脹器シャフトを回転させるように、前記アノード排気ガス燃焼器から前記加熱されたカソード排気ガスを受けるカソード排気ガス膨脹器と
を備える車両用燃料電池システム。
【請求項１６】
第２の伝熱式熱交換器および排気熱交換器をさらに備え、前記第２の伝熱式熱交換器および排気熱交換器が、第２の冷却剤ループを通って流れる冷却流体を有する第２の冷却剤ループの一部であり、前記第２の伝熱式熱交換器もまた、燃料電池スタックに加えられる前に前記圧縮された給気カソードガスを受けて冷却し、前記排気熱交換器が、前記第２の伝熱式熱交換器を通って流れる第２の冷却剤ループ内の前記冷却流体を受け、前記冷却流体を冷却する請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第２の熱交換器が、加圧された空気によって前記第１の冷却剤ループ内の前記冷却流体を冷却するラジエータファンモジュールである請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記圧縮された給気カソードガスを受け、前記燃料電池スタックに送られる前に水蒸気を前記圧縮された給気カソードガスと混合する加湿ユニットをさらに備える請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
前記カソード排気ガスを受け、そこから液体の水を除去する液体分離機をさらに備える請求項１５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に燃料電池システムに関する、より具体的には、給気カソードガスの追加冷却を提供するために伝熱式熱交換器を採用する燃料電池システムおよびシステム内の燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００３年１月３１日に提出された「Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｗｉｔｈ  Ｒｅｃｕｐｅｒａｔｉｖｅ  Ｈｅａｔ  Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ」という題名の米国特許出願第１０／３５６３３３号の一部継続出願である。
【０００３】
水素は、清浄であり、燃料電池内で電気を効率的に生成するために使用されることができるため、極めて魅力的な燃料源である。自動車産業は、自動車用の動力源としての水素燃料電池の開発にかなりの資材を費やしている。このような車両は、内燃機関を採用している今日の車両よりも効率的であり、より少ない排気を発生させる。
【０００４】
水素燃料電池は、その間に電解液を備えるアノードおよびカソードを備える電気化学デバイスである。アノードは水素ガスを受け、カソードは酸素を受ける。水素ガスが、自由な水素陽子および電子を発生させるためにアノード内でイオン化される。水素陽子は、電解液を通ってカソードへ通過する。カソード内で水素イオンが酸素および電子と反応し、副産物として水を生成する。アノードからの電子は、電解質を通過することができず、したがって、カソードへ送られる前に、電気的な仕事を行うために負荷を通じて方向付けられる。仕事は、車両を動作させるように作用する。多くの燃料電池は、所望の電力を発生させるためにスタック状に結合される。
【０００５】
プロトン交換膜（ＰＥＭ）式燃料電池は、高いシステム効率によって高い出力密度を供給するため、車両用に普及している燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池では、水素（Ｈ２）がアノード反応剤、すなわち燃料であり、酸素がカソード反応剤、すなわち酸化剤である。カソード反応剤は、純粋な酸素（Ｏ２）または空気（主にＯ２とＮ２の混合物）である。電解質は、ペルフルオロスルホン酸などのイオン交換樹脂から通常作製された固体ポリマー電解質である。アノードおよびカソードは通常、最終的に分離される触媒粒子から成る。触媒粒子は、カソード粒子上でしばしば支持され、プロトン伝導樹脂と混合される。
【０００６】
図１は、上記で議論したタイプのＰＥＭ燃料電池システム１０の全体的な概略平面図である。燃料電池システム１０は、電気的に直列に結合された複数の燃料電池１４を備える従来型の燃料電池スタック１２を備える。燃料電池１４のそれぞれは、カソードおよびアノードを備える。燃料電池１４は、車両を駆動するための出力２２を発生させる化学反応を提供するために、ライン１８上の適切な供給源からのアノード水素ガスおよびライン２０上の給気カソードガス（圧縮された空気）を受ける。熱交換器として図中に示され、スタック１２を通って走っている冷却チャネル２４の列が、燃料電池１４内の化学反応によってそこから発生した熱を除去する。
【０００７】
アノード排気ガスは、たとえば、背圧弁（ＢＰＶ）２６を通ってライン２８上のスタック１２から排気される。圧縮されたカソード排気ガスが、燃料電池スタック１２の温度でライン３０上のスタック１２から排出され、システム排気の主要な部分を構成する。水はカソード排気の副産物であるが、液体の水を周囲環境に解放することは問題となる。したがって、カソード排気ガスは、液体の水をそこから分離する液体分離剤３２を加えられ、ライン３４上の分離された排気ガスとライン３８上の液体の水を供給する。分離されたカソード排気ガスは、ＢＰＶ３６を通って大気へ排出される。ライン３８上の液体の水が、冷却などのために水を使用する他のシステム要素に供給されてもよい。
【０００８】
ライン４２上の周囲の給気カソードガスが、燃料電池動作圧力でカソードガスを提供するために空気の体積を圧縮するための圧縮機４４に加えられる。圧縮機４４は、出力シャフト４８を通じて燃料モータ４６によって電力供給される。圧縮機４４は、圧縮されるときに給気カソードガスを加熱する。圧縮および加熱された空気が、ライン５０上の適切な給気カソードガスの冷却器（ＣＡＣ）または熱交換器５２を通って送られ、そこで冷却される。圧縮機４４の廃棄熱は、熱交換器５２の熱負荷である。次に、ライン５０上の冷却された給気カソードガスが、加湿デバイス５４に送られ、そこで水蒸気と混合される。水蒸気は、必要な導電性を提供するために、燃料電池１４内のアノードとカソードの間の電解質のための湿気があるように給気カソードガスと混合される必要がある。次に圧縮および加湿された給気カソードガスが、ライン２０上のスタック１２に加えられる。
【０００９】
冷却剤ループ５８が、冷却チャネル２４および熱交換器５２に水／グリコール混合物などの冷却流体を供給する。冷却流体は、冷却ポンプ５６によってループ５８を強制的に通過させられる。加熱された冷却流体が、そこから熱を除去するためにループ５８によってラジエータファンモジュール（ＲＦＭ）６２に供給される。一実施形態では、圧縮機４０の出力でのライン５０上の給気カソードガスの温度は、大気温から２００℃の範囲であり、スタック１２に供給されるライン２０上の給気カソードガスの温度は、６０〜８０℃の範囲である。ファン６４が、冷却チャネル２４および熱交換器５２からの加熱された流体を冷却するために空気にＲＦＭ６２を強制的に通過させる。次に冷却流体が、ライン５０上の圧縮された給気カソードガスを冷却するために最初に熱交換器５２へ、次にスタック１２へ冷却剤ループ５８を通って戻され、そこで冷却チャネル２４を通って流れる。
【００１０】
現在の燃料電池システムのデザインでは、ＲＦＭ６２は、内燃機関を有する従来型の車両で採用されている典型的なラジエータである。しかし、内燃機関の動作温度は、燃料電池システム１０の動作温度よりも高く、したがって、燃料電池システムは、内燃機関よりも低い温度レベルに冷却される必要がある。したがって、内燃機関のために使用されている現在のＲＦＭは、システム１０のために十分な冷却を提供するために十分な熱交換面積およびＲＦＭを通って流れる空気質量を提供しない。全システムの熱除去量（熱交換器５２からの熱を含む）は、システム１０の設計で重要な制限要素であり、システムのレイアウトおよびデザインに十分な影響力を有する。
【特許文献１】米国特許出願第１０／３５６３３３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
公知のＲＦＭが、車両内で採用されることができるように、システム１０から熱を除去するための追加の技術を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の教示によると、燃料電池スタック内の燃料電池のカソードに加えられる圧縮された給気カソードガスのための追加の冷却を提供するために伝熱式熱交換器を採用する燃料電池システムが開示されている。カソード排気ガスおよびコンプレッサの給気カソードガスが、伝熱式熱交換器に適用され、カソード排気ガスが圧縮された給気カソードガスを冷却し、圧縮された空気から熱システムへの廃棄される熱を減少させる。別の実施形態では、カソード排気ガス膨脹器が、給気カソードガスの圧縮機に電力供給するために、加熱された排気ガス内のエネルギーを使用する伝熱式熱交換器と組み合わせて提供される。膨脹器に加えられる前にカソード排気ガスをさらに加熱するためにアノード排気ガス内の残留水素を燃焼させるアノード排気ガス燃焼器が、提供されてもよい。別の実施形態では、カソード排気ガスを冷却するための熱交換器が提供される。
【００１３】
本発明の追加の利点および特徴が、添付の図面とともに得られる以下の説明および頭記の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
燃料電池システムに向けられた本発明の実施形態の以下の議論は、事実上単に例示に過ぎず、本発明またはその適用または使用を限定するものではない。
図２は、類似の要素が同じ符号によって表されている、上記のシステム１０と同様の燃料電池システム７０の概略図である。本発明によると、システム７０は、ライン５０内の圧縮機４４と熱交換器５２の間に配置されたガス／ガス伝熱式熱交換器７２を備える。熱交換器７２は、熱交換器５２がより少ない冷却を提供することができ、したがってＲＦＭ６２をより小さくでき、まだシステムの熱負荷要件を満たすようにライン５０内の圧縮された空気に追加の冷却を提供する。ライン３４上のカソード排気ガスが、熱交換器７２を通って流れ、給気カソードガスを冷却するように動作し、それによって、熱交換器７２によって圧縮された給気カソードガスから除去される熱が、カソード排気ガス流によって運び去られる。一実施形態では、システム１０内の熱交換器５２が、全システムの熱除去量の約１０％を除去する。伝熱式熱交換器７２を採用することによって、熱交換器５２は、同じサイズのＲＦＭ６２に対して全システムの熱除去量の約１％の熱を除去することしか必要としない。
【００１５】
この実施形態では、熱交換器７２が、ＢＰＶ３６と水分離機３２の間に配置されている。したがって、伝熱式熱交換器７２は、システムに冷却を提供するためにカソード排気ガスを使用することによって熱交換器５２上の熱負荷を減少させる。カソード排気ガス温度が上昇し、このことが、生成水の適切な移送のための所望のガス組成を容易にする。
【００１６】
上記で議論したように、熱交換器７２が、圧縮機４４と熱交換器５２の間に配置される。しかし、これは、熱交換器７２が、スタック１２と圧縮機４４の間のライン５０内のいかなる適切な位置にも配置されることができる限定されない一例である。
【００１７】
図３は、システム１０および７０に対する廃棄熱を示す、縦軸にシステム熱除去量および横軸にシステム負荷をとったグラフである。特に、グラフの線８０は、伝熱式熱交換器７２を備えないシステム１０の廃棄熱を示している。グラフの線８２は、伝熱式熱交換器７２を備えるシステム１０の廃棄熱を示している。グラフの線８４は、伝熱式熱交換器７２を備えるシステム７０によって提供される廃棄熱の減少を示している。
【００１８】
図３はまた、伝熱式熱交換器７２を備えるときと備えないときの所望の冷却を提供するラジエータ表面積を示すために、縦軸にＲＦＭ６２のラジエータ面の面積を備えている。特に、グラフの線８６は、伝熱式熱交換器７２のないシステム１０での必要なラジエータ面の面積を示しており、グラフの線８８は、伝熱式熱交換器７２を備えるシステム７０でのＲＦＭ６２の必要なラジエータ面の面積を示している。全体の熱負荷に対して、標準的な自動ファン６４を仮定すると、システム１０のために必要とされるラジエータ表面積は、全車両の前面の面積の約７１％であり、システム７０のために必要なラジエータ表面積は、約５９％である。このことは、約１７％のラジエータ表面積の減少である。
【００１９】
図４は、システム１０および７０のカソード排気ガス温度を示す、縦軸に排気ガス温度および横軸にシステム負荷をとったグラフである。特にグラフの線９０は、伝熱式熱交換器７２のないシステム１０の排気ガス温度を示しており、グラフの線９２は、伝熱式熱交換器７２を備えるシステム７０の排気ガス温度を示している。より高いシステム負荷、たとえば７０ｋＷに対して、システム１０と７０のカソード排気ガスの間の温度差は１８０℃である。
【００２０】
図５は、本発明の別の実施形態による、類似の要素が同じ符号で示されている上記のシステム７０と同様の燃料電池システム１００の概略図である。この実施形態では、システム１００は、ライン１０４上の熱交換器７２から圧縮および加熱されたカソード排気ガスを受けるカソード排気ガス膨脹器１０２を採用している。カソード排気ガスが、熱交換器７２によって加熱される。カソード排気ガス膨脹器１０２が、熱を機械的エネルギーに変換する。膨脹器１０２は、シャフト１０６を回転させるその中の要素を回転させるためにカソードガスの温度を使用する。シャフト１０６は、圧縮機４４と結合され、圧縮機４４を動作させるためのエネルギーの少なくとも一部を供給する。したがって、ガス膨脹器１０２は、圧縮機４４の出力要求が減少されることを可能にする。このようにして、モータ４６のサイズが、システム１００を動作させるために必要なエネルギーが減少されることができるように減少されることができる。次に、膨脹させられたカソード排気ガスが、ＢＰＶ３６を通じてライン１０８上の大気に出力される。
【００２１】
図６は、カソードガス膨脹器１０２を備えるシステム１００およびガス膨脹器１０２のないシステム７０から使用可能な必要システム出力の比較を示す、縦軸に出力および横軸にシステム負荷をとったグラフである。特に、グラフの線１１０は、伝熱式熱交換器７２およびガス膨脹器１０２を備えるシステム７０から使用可能な総出力を示している。グラフの線１１２は、伝熱式熱交換器７２のないシステム１０の総出力要求を示している。グラフの線１１４は、伝熱式熱交換器７２およびガス膨脹器１０２のないシステム１０の必要とされる電気圧縮機出力を示している。グラフの線１１６は、ガス膨脹器１０２および伝熱式熱交換器７２を備えるシステム１００の必要とされる電気圧縮機出力を示している。
【００２２】
図７は、本発明の別の実施形態による、類似の要素が同じ符号で示されている上記のシステム１００と同様の燃料電池システム１２０の概略図である。この実施形態では、アノード排気ガスバーナまたは燃焼器１２２が、アノード排気ガス内の残留水素を燃焼させるために設けられている。通常、少量の水素が、ライン２８上のアノード排気ガス内に残留する。アノード排気ガスバーナ１２２が、ライン１２４上のアノード排気ガスおよびライン１０４上の加熱されたカソード排気ガスを受ける。アノード排気ガスバーナ１２２が、膨脹器１０２に加えられる前にカソード排気ガスをさらに加熱し、このようにしてさらに必要なモータ４６からの圧縮機出力を減少させるために水素を燃焼させる。アノードバーナ１２２は、ここで説明した目的に適したいかなる燃焼器であってもよい。
【００２３】
図８は、アノード排気バーナ１２２を備える、および備えないここに開示した様々なシステムの排気ガス温度の比較を示す、縦軸に排気ガス温度および横軸にシステム負荷をとったグラフである。特に、グラフの線１３０は、伝熱式熱交換器７２およびアノード排気ガスバーナ１２２を備えるシステム１２０の排気ガス温度を示している。グラフの線１３２は、伝熱式熱交換器７２を備えるがアノード排気ガスバーナ１２２のないシステム１００の排気ガス温度を示している。グラフの線１３４は、伝熱式熱交換器７２およびアノード排気ガスバーナ１２２のないシステム１０の排気ガス温度を示している。
【００２４】
全負荷の場合に対して、システム１０の排気ガス温度は、スタック動作温度と同じであることになる。伝熱式熱交換器７２を備えるシステム７０対して、カソード排気ガス温度は、たとえば約１７０℃に上昇する。システム１２０に対して、アノードバーナ１２２が、排気ガスに追加の６〜７ｋＷの熱を供給することができる。９５ｇ／ｓの質量流に対して、これは、約７０℃（７０Ｋ）の温度上昇に等しい。カソードガス膨脹器取入ガスの温度上昇は、カソード排気ガスからより多くのエネルギーを回収することを可能にする。
【００２５】
図９は、システム１０、７０および１２０のガス膨脹器出力および圧縮機出力を示す、縦軸に出力および横軸にシステム負荷をとったグラフである。特に、グラフの線１３８は、システム１０に対して必要とされる電気圧縮機モータ出力を示している。グラフの線１４０は、伝熱式熱交換器７２を備えるシステム７０に対して必要とされる電気圧縮機モータ出力を示している。グラフの線１４２は、伝熱式熱交換器７２およびアノードバーナ１２２を備えるシステム１２０に対して必要とされる電気圧縮機モータ出力を示している。グラフの線１４４は、システム１０に対する断熱膨脹器の仕事を示している。グラフの線１４６は、伝熱式熱交換器７２を備えるシステム７０に対する断熱膨脹器の仕事を示している。グラフの線１４８は、伝熱式熱交換器７２およびアノードバーナ１２２を採用しているシステム１２０に対する断熱膨脹器の仕事を示している。
【００２６】
図１０は、本発明の別の実施形態による、類似の要素が同じ符号で示されている上記のシステム１００と同様の燃料電池システム１５０の概略図である。この実施形態では、第２の伝熱式熱交換器１５２が、図示のように、伝熱式熱交換器７２と熱交換器５２の間のライン５０内に設けられている。熱交換器１５２は、グリコール／水混合物などの冷却流体が流れる冷却剤ループ１５４と結合されている。冷却剤ループ１５４はまた、膨脹器１０２の出力でライン１０８内の排気熱交換器１５６と結合されている。ライン１０８上の排気ガスは、ライン５０上の圧縮された空気よりも低温であり、したがって、ループ１５４内の冷却流体が、ライン５０上の圧縮された空気から熱を取り出した後、排気ガスによって冷却される。このため、熱交換器５２およびＲＦＭ６２によって必要とされる冷却が、伝熱式熱交換器１５２によってさらに減少されることができる。
【００２７】
図１１は、本発明の別の実施形態による、類似の要素が同じ符号で示されている上記のシステム１０と同様の燃料電池システム１６０の概略図である。この実施形態では、ガス／ガス熱交換器１６２が、カソード排気ガスライン３０内に設けられている。カソード排気ガスは、図示のように周囲の空気によって冷却される。ライン３０上のカソード排気ガスを冷却するために周囲の空気を使用することによって、分離機３２が、より少ない水が周囲環境に出力され、より多い水が他のシステム構成要素に使用可能であるように、カソード排気ガスから液体の水を除去することがより可能である。
【００２８】
上記の議論は、本発明の単なる例示的な実施形態を開示し、説明しているに過ぎない。頭記の特許請求の範囲で定義されたような本発明の精神および範囲から逸脱することなく様々な変化、修正および変更が行われることができることが、このような議論および添付の図面および特許請求の範囲から、当業者なら容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】公知の燃料電池システムの全体的な概略図である。
【図２】本発明の実施形態による伝熱式熱交換器を採用している燃料電池システムの概略図である。
【図３】図２の燃料電池システムの熱負荷を示す、縦軸にシステム熱除去量および必要なラジエータ面の面積、および横軸にシステム負荷をとった図である。
【図４】図２に示す燃料電池システムに対する、縦軸に排気ガス温度および横軸にシステム負荷をとったグラフである。
【図５】本発明の別の実施形態による、伝熱式熱交換器およびカソードガス膨脹器を採用している燃料電池システムの概略図である。
【図６】図５に示す燃料電池システムの必要システム出力の比較を示す、縦軸に出力および横軸にシステム負荷をとったグラフである。
【図７】本発明の別の実施形態による、伝熱式熱交換器、カソードガス膨脹器およびアノード排気バーナを採用している燃料電池システムの概略図である。
【図８】図５および図７に示すシステムの排気ガス温度の比較を示す、縦軸に排気ガス温度および横軸にシステム負荷をとったグラフである。
【図９】アノード排気バーナを備えるおよび備えない伝熱式熱交換器に対する、提案された断熱膨張出力と、電気圧縮機要求／出力に対して必要とされる結果の比較を示す、縦軸に出力および横軸にシステム負荷をとったグラフである。
【図１０】カソードガス膨脹器の前および後にカソードガス膨脹器および伝熱式熱交換器を採用している燃料電池システムの概略図である。
【図１１】本発明の別の実施形態による、水分離機とともに伝熱式熱交換器を採用している燃料電池システムの概略図である。
【図１】
0004773725.tif 000002
【図２】
0004773725.tif 000003
【図３】
0004773725.tif 000004
【図４】
0004773725.tif 000005
【図５】
0004773725.tif 000006
【図６】
0004773725.tif 000007
【図７】
0004773725.tif 000008
【図８】
0004773725.tif 000009
【図９】
0004773725.tif 000010
【図１０】
0004773725.tif 000011
【図１１】
0004773725.tif 000012