(57)【要約】燃料電池システムは、圧縮機(11)と、圧縮機の下流側の燃料プロセッサ(15)とを備える。燃料電池スタック(17)は、燃料プロセッサと圧縮機とに連絡している。燃焼器(18)は、燃料電池スタックの下流側に配置されている。第１および第２のタービン(19,20)は、燃料プロセッサの下流側に配置され、互いに平行流連絡している。分配弁(39)は、第１および第２のタービンと連絡している。第１および第２のタービンは、圧縮機と機械的に連動している。バイパス弁(13)は、圧縮機と第２のタービンとの間に配置され、圧縮機からの圧縮ガスを燃料プロセッサにおいてバイパスさせている。
2004523062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、該システムは、
圧縮機と、
前記圧縮機の下流側の燃料プロセッサと、
前記燃料プロセッサと前記圧縮機とに連絡した燃料電池スタックと、
前記燃料プロセッサの下流側の第１のタービンと、
前記燃料プロセッサの下流側の第２のタービンであって、前記圧縮機と前記第１のタービンとに機械的に連動した第２のタービンと、
を備えるシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、該システムはさらに、
前記圧縮機と前記第２のタービンとの間のバイパス弁であって、前記圧縮機からの圧縮ガスを前記燃料プロセッサにおいてバイパスさせるバイパス弁を、
備えるシステム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のシステムであって、該システムはさらに、
前記第１のタービンと前記第２のタービンとに連絡した分配弁を、
備えるシステム。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のシステムであって、該システムはさらに、
前記燃料電池スタックの下流側の燃焼器を、
備えるシステム。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のシステムであって、該システムはさらに、
前記圧縮機と前記燃料電池スタックとの間の加熱器／加湿機を、
備えるシステム。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか１項に記載のシステムであって、該システムはさらに、
前記第１のタービンおよび前記第２のタービンの下流側の凝縮器／分離器を、
備えるシステム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムであって、該システムはさらに、
前記凝縮器／分離器と前記第１のタービンおよび前記第２のタービンとの間の加熱器／加湿機を、
備えるシステム。
【請求項８】
請求項１〜請求項７の何れか１項に記載のシステムであって、該システムはさらに、
前記圧縮機からの前記圧縮ガスを分割し、前記圧縮ガスを前記燃料プロセッサおよび燃料電池スタックの両方に導くための手段を、
備えるシステム。
【請求項９】
請求項１〜請求項８の何れか１項に記載のシステムであって、前記第１のタービンおよび前記第２のタービンが、互いに平行流連絡している、システム。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９の何れか１項に記載のシステムであって、前記燃料プロセッサが、前記第１のタービンおよび前記第２のタービンに並列に流れる酸化剤ガスと熱交換する、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
本発明は、一般に、燃料電池システムに関し、より詳細には、システムの効率を向上させるために、圧縮機と連動した１対の平行タービンを利用する燃料電池システムに関する。
【０００２】
燃料電池システムにおいて、出力寄生物（例えば、圧縮機、ファンおよびポンプなど）は、システムの総合効率を低下させ、また、燃料電池のサイズを大きくさせ、その結果、システムのコストが高くなる。しかしながら、高い圧力で動作するシステムを設計することにより、スタックのサイズおよびコストを実質的に低減することができる。燃料電池システムが、加圧空気を使用する場合、圧縮機エキスパンダを、たいてい、使用しなければならない。
【０００３】
圧縮機エキスパンダの重要な特性は、その動作線とともに、その圧縮機およびエキスパンダのエントロピー効率である。動作線は、燃料電池に引き渡される空気流量に対する空気圧力の依存性として、定義されている。一般的な基準として、好ましくは、動作線は、圧縮機エキスパンダのすべての動作点における圧力が一定である平らな動作線である。圧縮機およびエキスパンダの効率は、一般的には最大システム出力である選択された設計ポイントで、通常、最適化されている。しかしながら、そのようにすると、圧縮機およびエキスパンダの効率は、部分負荷時に実質的に低下する。なぜならば、圧縮機エキスパンダの動作点が、最適設計ポイントから遠くへ離れるためである。
【０００４】
ターボ圧縮機（すなわちターボチャージャ）は、効率が高く、比較的小型かつ軽量であり、空気汚染が潜在的に少ないため、無給油軸受を使用する場合、加圧用として好ましいオプションと考えられている。しかしながら、ターボ圧縮機（ターボチャージャ）の特性は、多くの場合、部分出力システム負荷時に、実質的により小さい圧力の空気を提供する。したがって、ターボ圧縮機の動作線は、急峻な動作線を有している、即ち、圧縮機およびタービンの両方の効率が、部分負荷時に、実質的に低下する。その結果、より小さい圧力及びより低い効率は、システムのより低い総合効率を導き、さらに、燃料電池スタックのサイズおよびコストの増加を導く。
【０００５】
部分負荷時の動作問題に対処する努力の一環として、米国特許第３，９７６，５０６号は、単一タービンと連動した圧縮機を、リン酸システムに提供している。システム内における高温加圧ガス状態の廃棄エネルギーは、圧縮機を駆動している。低負荷時において、圧縮機からの圧縮空気の一部は、燃料電池スタックの周りで側管に通され、追加燃料を燃焼させる補助燃焼器中で加熱され、圧縮機を駆動するべくタービンに流れる。燃料電池スタックに流れる空気の量が減少している間、燃料電池スタックに流れる空気の圧力は、維持されている。この設計のいくつかの欠点は、高い圧力を維持するために必要な圧縮機速度を達成するために、追加燃料を燃焼させなければならない点を含み、そのため、システムの総合効率を低下させている。
【０００６】
米国特許第４，０４１，２１０号の熔融炭酸塩燃料電池に適した発電装置は、１対の二輪ターボチャージャを備えており、圧縮機と一方のターボチャージャのタービンとが、圧縮機ともう一方のターボチャージャのタービンとに、連動しないように設けられている。燃料電池酸化剤溢流の一部は、リサイクルされ、残りの部分は、ターボチャージャを駆動している。一方のターボチャージャによって、リサイクルポンプは、駆動され、リサイクルを促進している。この設計の欠点の１つは（即ち、１つまたは複数の圧縮機と連動した単一タービンからなる１つまたは複数のターボチャージャ又はターボ圧縮機を備えたあらゆる燃料電池システムの欠点の１つは）、部分負荷時における各ターボチャージャ又はターボ圧縮機の性能を最適化するための手段がないことである。部分負荷時において、タービン出力は、より少ない質量の流れ及びより低下した効率の双方のため、低下する。その結果として、圧縮機に引き渡される出力は、低下し、それにより、システムの圧力が、低下する。
【０００７】
米国特許第３，９８２，９６２号は、１対のタービンと単一の圧縮機とを提供し、そこにおいて、２つのタービンが、互いに連動しない。一方のタービンは、圧縮機と連動し、燃料電池スタックからの陽極溢流を使用しているリアクター・バーナからの蒸気によって、駆動されている。リアクター・バーナーからの蒸気は、タービンを通過する際に液体に凝縮され、燃料電池スタックによって蒸気に再変換され、タービンにリサイクルされる。もう一方のタービンは、陽極溢流および陰極溢流によって空気駆動され、発電機を駆動するとともに、発電装置に背圧を提供している。この設計のいくつかの欠点も、部分負荷時の動作に関連している。部分負荷時における各タービンの性能を最適化することができない。したがって、タービン出力は、より少ない質量の流れ及びより低いタービンの効率の双方のため、部分負荷時において低下する。タービン出力は、圧縮機への出力の低下とシステム内の圧力の低下とを導く。
【０００８】
以上から分かるように、燃料電池発電システム内に加圧酸化剤ガスを提供する装置および方法が必要である。また、小さい負荷で動作する燃料電池発電システム内に加圧酸化剤ガスを提供する装置および方法が、さらに必要である。さらに、発電装置のすべての動作点に実質的に一定の圧力を提供することによって、燃料電池発電装置の効率、特に、ＰＥＭ燃料電池発電装置の効率を向上させる装置および方法が必要である。言い換えれば、より平らな圧力動作線が、ＰＥＭ燃料電池システムのために必要とされる。
【０００９】
（発明の概要）
本発明の一態様において、燃料電池システムは、圧縮機と、圧縮機の下流側の燃料プロセッサと、燃料プロセッサおよび圧縮機と連絡している燃料電池スタックと、燃料電池スタックの下流側の燃焼器と、燃料プロセッサの下流側の第１のタービンと、燃料プロセッサの下流側の第２のタービンであって、第１のタービンと平行流連絡し、かつ、圧縮機および第１のタービンと機械的に連動している第２のタービンと、圧縮機と第２のタービンとの間のバイパス弁であって、圧縮機からの圧縮ガスを燃料プロセッサにおいてバイパスさせるバイパス弁と、第１および第２のタービンと連絡している分配弁と、を備えている。
【００１０】
本発明の他の態様において、燃料電池スタックのための酸化剤ガスおよび燃料ガスを処理する方法は、酸化剤ガスを圧縮機で圧縮して、圧縮した酸化剤ガスを生成するステップと、圧縮した酸化剤ガスの第１の部分を燃料電池スタックに流すステップと、圧縮した酸化剤ガスの第２の部分を燃料プロセッサに流すステップと、燃料を燃料プロセッサに流して、水素を豊富に含んだガスを生成するステップと、水素を豊富に含んだガスを燃料電池スタックに流すステップと、燃料プロセッサから加熱した酸化剤ガスを生成するステップと、加熱した酸化剤ガスを、加熱酸化剤ガスの第１の部分および第２の部分に分割することにより、加熱酸化剤ガスの第１の部分および第２の部分を、互いに平行に流すステップと、加熱酸化剤ガスの第１の部分を第１のタービン中で膨張させて、第１のタービン排気ガスを生成するステップと、加熱酸化剤ガスの第２の部分を第２のタービン中で膨張させて、第２のタービン排気ガスを生成するステップと、圧縮機と第１のタービンと第２のタービンとを互いに機械的に連動させるステップと、を含む。
【００１１】
本発明のこれらおよびその他の特徴、態様および利点については、添付の図面、以下の説明、および特許請求の範囲の各請求項を参照することにより、より深く理解されよう。
【００１２】
（発明の詳細な説明）
本発明は、最適総合燃料電池システム・インテグレーションの問題に、概ね対処している。多くのアプリケーションにおいて、燃料電池発電システムに供給される燃料（例えば、ガソリン、天然ガス、メタノールなど）は、燃料電池スタックへの供給に先立って、水素が豊富な流れに、変換されなければならない。この変換は、燃料プロセッサの中で達成することができ、その燃料プロセッサは、全体システムの中に統合しなければならない。なぜならば、燃料プロセッサは、その動作のために、圧縮空気と、液体または蒸気の状態の水と、過剰の熱を除去するための冷媒と、を必要とする場合と、必要としない場合があるからである。本発明は、燃料プロセッサを燃料電池発電システムに統合させる手段であって、システムの総合効率を最大化させる手段を提供する。
【００１３】
また、本発明は、燃料電池発電システムにおけるターボ圧縮機の動作線を平らにして、高い圧縮機効率および高いタービン効率を維持する問題に、特に対処している。部分負荷時において、過去の設計の圧縮機は、一般的に、より高い圧力で、したがってより多い流れで、動作するように強いられている。このため、通常、必要な空気流より多い空気流が、燃料電池に供給されている。しかしながら、本発明において、過剰圧縮空気は、圧縮機と同じシャフト上の追加のタービンに、引き渡すことができる。これにより、圧縮出力を低下させ、システムの総合効率を向上させるとともに、燃料電池のサイズを縮小させることができる。本発明において、２つのタービンを圧縮機に連動させることにより、タービンの効率を、１つの動作点ではなく、２つの動作点で、最適化することができる。これは、最大タービン効率を達成するべく、２つのタービン・ノズル面積を通る流れを、変化させることができることによるものである。この構成は、可変ノズル面積を備えたタービンに勝る動作上の利点を有している。なぜならば、その構成に、可変ノズルタービンという機械設計の複雑性がなく、また、制御がより容易であるためである。追加タービンの出力は、過剰圧縮空気を加熱するための追加熱源（燃料プロセッサなど）をシステム内で利用するとき、高くすることができる。
【００１４】
以下、本発明の好ましい４つの実施形態について説明するが、それらは、概ね、２つの部分に分割される圧縮機からの空気流を提供するものとして説明されている。第１の部分は、発電に必要な酸素を、燃料電池スタックに供給する部分である。燃料プロセッサにも酸素が必要な場合、第１の部分からいくらかの空気流が、燃料プロセッサに流用される。圧縮機からの空気流の第２の部分は、燃料プロセッサを通過するか、あるいは通過せず、熱交換器を介して所定の位置で燃料プロセッサの流を冷却する。第１の部分と第２の部分との間の分割比率は、バイパス弁によって、あるいは、例えばスプリッタまたはオリフィスを始めとする他の適切な手段によって、制御されている。
【００１５】
燃料プロセッサを通過する、しないにかかわらず、空気の第２の部分は、第２のタービンを通過して、圧縮力を生成する。空気の第１の部分は、燃料電池スタック内で使用されて、出力を生成し、また、燃焼器内のあらゆる未使用水素を燃焼させる。燃焼器の排気ガスは、第１および第２のタービンに供給されて、圧縮力を、直接回復させ、あるいは、加熱処理に使用される燃料プロセッサを介して回復させる。第１のタービンと第２のタービンの間の流れの分割は、分配弁によって、あるいは、例えばスプリッタまたはオリフィスを始めとする他の適切な手段によって、達成される。
【００１６】
第１のタービンの設計ポイントは、部分負荷出力レベルにある。これは、部分負荷時にタービンの効率が最大になることを意味しているが、第１のタービンは、高出力レベルでチョーキング状態を達成することができる。流れを分割させることにより、高出力レベルにおける第１のタービンのチョーキングを回避している。次に、２つのタービンからの排気ガスは、結合され、また、復熱して燃料電池入口空気を予熱かつ加湿するために燃料電池システム内でリサイクルされるか、あるいは、復水器／分離器に直接供給される。
【００１７】
図１〜図４は、本発明の４つの実施形態を示したもので、図１は、本発明の装置および方法の第１の実施形態を略図で示したものである。第１の実施形態は、概ね、燃焼器１８が、燃焼器排気ガスを第１のタービン１９および第２のタービン２０に提供している点で、特徴を有し、また、他の実施形態と区別される。第１および第２のタービン１９、２０からの結合タービン排気ガスは、燃料電池空気を加熱および／または給湿するために、加熱器／加湿機１６によって使用される。この実施形態において、加熱および給湿は、他の手段を使用することも可能であるが、液体水を空気流中に噴霧し、かつ、排熱を使用して蒸発させることによって、達成されている。図２は、本発明の第２の実施形態を略図で示したもので、本発明の第２の実施形態は、概して、燃焼器の排気ガスを、第１および第２のタービン１９、２０にではなく、燃料プロセッサ１５に供給する燃焼器１８を使用する。この場合も、結合タービン排気ガスは、燃料電池空気を加熱および／または給湿するために、加熱器／加湿機１６によって使用される。
【００１８】
図３は、本発明の第３の実施形態を略図で示したもので、他の実施形態との全体的な相異は、燃焼器の排気ガスが、第１および第２のタービンに導かれていることである。結合タービン排気ガスではなく、冷媒が、燃料電池空気を加熱および／または給湿するために、加熱器／加湿機１６によって使用される。図４は、本発明の第４の実施形態を略図で示したもので、燃焼器の排気ガスは、燃料プロセッサ１５に導かれ、この場合も、冷媒が、燃料電池空気を加熱および／または給湿するために使用される。
【００１９】
本発明の第１の実施形態について、図１を参照してより詳細に説明すると、入口空気すなわち酸化剤ガス１１が、圧縮機１２に流れて圧縮される。圧縮機で圧縮された酸化剤ガスは、スプリッタ２６に流れる第１の部分２９と、バイパス弁１３に流れる第２の部分３０と、に分割される。バイパス弁１３は、第１の部分２９と第２の部分３０との間の分割比率を制御している。スプリッタ２６は、圧縮酸化剤ガスの第１の部分２９を、加熱器／加湿機１６に流れる第１のサブ部分３１と、燃料プロセッサ１５に流れる第２のサブ部分３２と、に分割している。また、スプリッタ２６は、第１のサブ部分３１と第２のサブ部分３２との間の分割比率を調整することもできる。したがって、スプリッタ２６は、弁、三方弁、２つの弁の組合せ、オリフィス、あるいはオリフィスの組合せなど、様々な設計にすることができる。同様に、バイパス弁１３およびスプリッタ２６の機能は、二方弁の組合せ、三方弁の組合せ、あるいはオリフィスの組合せを使用して、一体として実現することもできる。
【００２０】
バイパス弁１３を通過した圧縮酸化剤ガスの第２の部分３０は、燃料プロセッサ１５を完全にバイパスさせることができる。あるいは任意選択で、第２の部分３０は、調整器弁１４または他の適切な手段によって、第３のサブ部分３３と第４のサブ部分３４とに分割することができる。これにより、酸化剤ガスの第３のサブ部分３３は、燃料プロセッサ１５をバイパスする一方、酸化剤ガスの第４のサブ部分３４は、調整器弁１４を通して燃料プロセッサ１５に供給することができる。
【００２１】
燃料プロセッサ１５をバイパスする、空気の第３のサブ部分３３は、第１および第２のタービン１９、２０と平行に流れる。これらのタービンについては、以下でさらに説明する。空気の第４の部分３４は、燃料プロセッサ１５に入り、燃料プロセッサ１５は、良く知られた任意の設計あり、好ましくは、蒸気改質又は部分酸化又は自家熱改質ステージと、高温水−ガス遷移反応ステージと、低温水−ガス遷移反応ステージと、選択酸化ステージと、を組み込む。燃料プロセッサ１５は、燃料プロセッサ水３５、冷媒３６および／または酸化剤ガスの第４の部分３４を受け取ると、入口燃料２８を水素含有改質油に変換する。通常、燃料プロセッサ１５は、水−ガス遷移反応の結果として、若干の初期一酸化炭素還元を実行している。また、燃料プロセッサ１５は、水を受け取ることにより、入口燃料２８の湿度および温度を調整し、後続する一酸化炭素除去および燃料電池への適用に備えている。
【００２２】
燃料プロセッサ１５によって使用される冷媒３６は、熱除去エレメント２４（例えば、熱を周囲に移送する熱交換器あるいは放熱器／ファンなど）と流れ連絡している冷媒タンク／ポンプ２５によって、供給される。それにより、冷媒３６は、燃料プロセッサ１５に流れ込み、熱を吸収した後、燃料プロセッサ１５から流出して周囲に熱を移送し、冷媒タンク／ポンプ２５に戻ってリサイクルされる。燃料電池スタック１７によって使用される冷媒４９も、熱除去エレメント２４（例えば、熱を周囲に移送する熱交換器あるいは放熱器／ファンなど）と流れ連絡している冷媒タンク／ポンプ２５によって、供給されている。この実施形態において、冷媒３６および冷媒４９は、熱除去エレメント２４の前段あるいは熱除去エレメント２４内で、混合されている。燃料プロセッサ１５内で使用される燃料プロセッサ水３５は、水タンク／ポンプ２３によって供給され、水タンク／ポンプ２３の水３５は、凝縮器／分離器２２によって供給されている。
【００２３】
燃料プロセッサ１５を出た燃料ガス３７は、酸化剤ガス３８と、燃料プロセッサ１５をバイパスした、空気の第３の部分３３と、に結合される。燃料ガス３７は、燃料と、燃料プロセッサ内に蒸気を生成するための熱を生成するために使用される空気燃焼と、の副産物である。この結合ガスによって高温の空気が提供され、以下で説明する燃焼器１８からの燃焼器排気ガス４０の流れと結合される。生成された加熱酸化剤ガス又は空気は、燃料プロセッサ１５の下流側の第１および第２のタービン１９、２０であって、上で言及したように互いに平行流連絡して動作している第１および第２のタービン１９、２０に、流れる。過去の設計とは対照的に、第１および第２のタービン１９、２０は、互いに機械的に回転連動するとともに、シャフト２１を介して圧縮機１２と機械的に回転連動している。
【００２４】
同じく過去の設計とは対照的に、第１および第２のタービン１９、２０に流れる加熱酸化剤ガスは、分配弁３９によって、第１の部分４１と第２の部分４２とに分割されている。分配弁３９を使用して、第１のタービン１９と第２のタービン２０との間で分割される加熱酸化剤ガスの第１の部分および第２の部分４１、４２を、変化させることができる。流れは、均等に分割することもできるが、均等に分割しない方が好ましい。例えばシステム１０をより良好に平衡させるためには、不均等に分割することが望ましい。つまり、不均等に分割することにより、システム１０の様々な出力要求に応じて、第１および第２のタービン１９、２０の効率を最適化することができる。例えば、システム１０の出力レベルが低い場合、流れの大半を第１のタービン１９に向けて経路化することが好ましい。第１のタービン１９のノズル面積は、低出力レベル用にサイズ化されているため、システム１０の動作圧力が高く、かつ、高い動作圧力でタービン１９の効率が最大になり、それにより、高いシステム効率をもたらしている。出力レベルが高くなると、第１のタービン１９のノズル面積において、大量のタービンの流れに適応することができず、したがって、タービン流分配弁３９を開き、過剰流を第２のタービン２０を通して流さなければならない。第２のタービン２０のノズル面積も、比較的小さい流れ用にサイズ化されており、したがって、高出力レベルにおいても高いシステム動作圧力が維持され、第２のタービン２０の効率は、比較的高くなっている。この２つの効果が、より高いシステム効率をもたらしている。したがって、タービン・ノズル面積を適切にサイズ化し、かつ、タービン間の流れを、タービン流分配弁３９を使用して最適分配することにより、システムの全出力レンジを通して、高レベルで、高いシステム圧力と高いタービン効率との両方が維持される。
【００２５】
第１のタービン排気ガス４３は、第１のタービン１９から生成され、第２のタービン排気ガス４４は、第２のタービン２０から生成される。第１の排気ガス４３および第２の排気ガス４４は、結合タービン排気ガス又は復熱装置ガス４５に、結合される。この実施形態において、結合タービン排気ガス４５は、第２のタービン２０と上で言及した凝縮器／分離器２２との間にある加熱器／加湿機（すなわち復熱装置）１６に流れ込んでいる。加熱器／加湿機１６内で、圧縮機１２から供給される酸化剤ガスの第１のサブ部分３１は、結合タービン排気ガス流４５との熱交換によって加熱される。また、酸化剤ガスの第１のサブ部分３１は、上で説明した水タンク／ポンプ２３からの加湿水４６と、結合タービン排気ガス流４５との熱交換と、によって加湿される。加熱および加湿された酸化剤ガスの第１のサブ部分３１は、下流側の燃料電池スタック１７に流れ込む。同時に、酸化剤ガスの第１のサブ部分３１との熱交換によって冷却された結合タービン排気ガス４５は、凝縮器／分離器２２に流れる。
【００２６】
凝縮器／分離器２２内で、加湿結合タービン排気ガス４７中の水蒸気は、凝縮されて、システム排気ガス２７および水４８が、生成される。次に、水４８は、水／タンクポンプ２３に流れ込み、上で説明したように、加熱器／加湿機１６中に循環される。
【００２７】
燃料電池スタック１７は、陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、熔融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）、あるいはリン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）を始めとする、良く知られている様々な設計の燃料電池スタックである。しかしながら、本発明は、陽子交換膜燃料電池からなる燃料電池スタック１７に特に有用である。この有用性は、陽子交換膜燃料電池の耐温度サイクル性が、より高温の温度燃料電池（ＭＣＦＣ、ＳＯＦＣ、ＰＡＦＣなど）よりはるかに優れているため、部分負荷条件下における陽子交換膜燃料電池の動作が、より影響をうけやすいことによるものである。それにもかかわらず、本発明は、部分負荷での燃料電池システムの動作が予想される場合、あらゆる燃料電池スタックに有用である。陽子交換膜燃料電池には、陽極ガスおよび陰極ガスの両方を加湿する必要があるため、本発明は、図１〜図４の実施形態に示すように、陽子交換膜燃料電池からなる燃料電池スタック１７に、特に有用である。
【００２８】
いずれの場合においても、燃料電池スタック１７は、燃料プロセッサ１５によって生成される陽極ガス（すなわち水素が豊富なガス）４９を受け取っている。この陽極ガス４９は、酸化剤ガスの第１のサブ部分３１と反応して、陰極排気ガス（すなわちオフガス）５０および陽極排気ガス（すなわちオフガス）５１が生成される。これらのオフガス５０および５１は、いずれも燃焼器１８で燃焼される。燃料電池スタック１７と第１および第２のタービン１９、２０との間にある燃焼器１８は、燃焼器排気ガス４０を生成している。燃焼器排気ガス４０は、膨張と圧縮力の回復とのために、第１および第２のタービン１９、２０に供給される。
【００２９】
図２に示す本発明の第２の実施形態においる装置およびプロセス・ステップは、第１の実施形態における装置およびプロセス・ステップと同じである。しなしながら、第２の実施形態に係る燃焼器排気ガス４０は、第１および第２のタービン１９、２０に直接供給される代わりに、燃料プロセッサ１５に直接供給されている。燃料プロセッサ１５に直接供給することにより、燃料プロセッサ１５内における加熱処理に、燃焼器排気ガス４０を使用することができる。しかしながら、燃焼器排気ガス４０は、最終的には、膨張と圧縮力の回復とのために、第１および第２のタービン１９、２０に流れる。
【００３０】
図３は、本発明の第３の実施形態を示したもので、その装置およびプロセス・ステップは、第１の実施形態の装置およびプロセス・ステップと同じである。第１の実施形態との主な相異は、結合タービン排気ガス４５が、加熱器／加湿機１６にではなく、下流側の凝縮器／分離器２２に、送られていることである。したがって、燃料電池スタック１７からの冷媒３６は、燃料電池空気を加熱器／加湿機１６内で加熱および／または給湿するために、使用されている。
【００３１】
本発明の第４の実施形態は、図４に示すように、第３の実施形態の装置およびプロセス・ステップと同じ装置およびプロセス・ステップを備えているが、第４の実施形態において、燃焼器排気ガス４０は、第１および第２のタービン１９、２０にではなく、燃料プロセッサ１５に供給されている。
【００３２】
（実施例）
解析の結果によれば、第２のタービンおよびタービン・ノズルを導入することによって、システムの全出力レンジを通して総合システム効率を向上させることができる。図５のグラフは、Ｆｅｒｒａｌｌらの「Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ａｎ  Ａｉｒ−Ｒｅｆｏｒｍａｔｅ  ＰＥＭ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔａｃｋ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｌｉｇｈｔ−Ｄｕｔｙ  Ｖｅｈｉｃｌｅ」（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  ２０００  Ｆｕｔｕｒｅ  Ｃａｒ  Ｃｏｎｇｒｅｓｓ，Ａｐｒｉｌ  ２−６，２０００，Ａｒｌｉｎｇｔｏｎ，ＶＡ．）に記載されているような単一圧縮機および単一タービンを有する二輪燃料電池システムと図１に示す本発明の三輪システムとに関する、システム効率に対する正味システム出力レベルのグラフである。二輪システムにおいて、タービン・ノズル面積は、１．８１平方ｃｍ（０．２８平方インチ）である。三輪システムにおいて、第１のタービン・ノズル面積は、０．９７平方ｃｍ（０．１５平方インチ）であり、第２のタービン・ノズル面積は、０．８３平方ｃｍ（０．１３平方インチ）である。図５は、効率改善が、全システム出力レンジにわたって、約１．５パーセント・ポイントであることを示している。付加熱を利用して第２のタービン入口流を予熱することができれば、効率改善はさらに大きくなり、約３ないし４パーセント・ポイントの効率改善を達成することができる。
【００３３】
図６は、図５で使用した二輪システムおよび三輪システムに関する、システム圧力に対する正味システム出力レベルのグラフである。本発明による効率改善は、図６に示すように、圧縮機およびタービンの効率改善と、システム圧力動作線の改善と、によって可能である。
【００３４】
効率の改善により、スタックのサイズを著しく縮小することができる。図７は、二輪システムおよび三輪システムに関する、スタック面積に対する正味システム出力レベルのグラフである。図７は、基準の二輪システムのスタック作用面積と、スタックのサイズを対応する二輪効率に整合させた場合の三輪システムのスタック作用面積と、を比較したものである。詳細には、図７は、スタックのサイズを、１／４出力負荷時の効率要求に合致させる場合、三輪システムは、スタック面積を約３６％縮小することができることを示している。燃料電池スタックは、燃料電池システムの中において、とりわけ高価なコンポーネントであるため、スタック面積のこの縮小により、三輪システムのコストは、二輪システムより約１／３だけ低減され、また、潜在的に小さくすることができる。スタック面積の縮小による節約により、より複雑なターボ圧縮機マシンに関連する余計なコストは、大幅に低減される。
【００３５】
また、ターボ圧縮機の効率改善により、ターボ圧縮機の出力要求は、低くなっている。図８は、二輪システムおよび三輪システムに関する、ターボ圧縮機出力に対する正味システム出力レベルのグラフから、このような結果を示したものである。ターボ圧縮機の出力は、ある動作点において負になり、相当な量の付加熱が入力されている。つまり、ターボ圧縮機は、出力を消費するのではなく、出力を生成している。この結果については、あるいは、ターボ圧縮機モータを完全に除去する機会、つまり、２つのタービンの出力と圧縮機の負荷が整合している状況での動作として捕えることもできる。
【００３６】
当然のことではあるが、以上の説明が本発明の好ましい実施形態に関したものであること、また、特許請求の範囲の各請求項に示す本発明の精神および範囲を逸脱することなく改変を加えることができることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による燃料電池発電システムの第１の実施形態の略図である。
【図２】本発明による燃料電池発電システムの第２の実施形態の略図である。
【図３】本発明による燃料電池発電システムの第３の実施形態の略図である。
【図４】本発明による燃料電池発電システムの第４の実施形態の略図である。
【図５】従来技術による二輪燃料電池発電システムおよび本発明による三輪燃料電池発電システムに関する、システム効率に対する正味システム出力レベルのグラフである。
【図６】図５に示す二輪および三輪燃料電池発電システムに関する、システム圧力に対する正味システム出力レベルのグラフである。
【図７】図５に示す二輪および三輪燃料電池発電システムに関する、スタック面積に対する正味システム出力レベルのグラフである。
【図８】図５に示す二輪および三輪燃料電池発電システムに関する、ターボ圧縮機出力に対する正味システム出力レベルのグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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