(57)【要約】  燃料電池、アンモニア前駆体の貯蔵用の少なくとも１つの容器、並びに、第１及び第２の燃料発生器を備える自動車システムが提供される。第１及び第２の燃料発生器は、アンモニア前駆体を燃料電池の使用における燃料に変換するように構成される。第１の燃料発生器は、第２の燃料発生器より低い温度の範囲内でアンモニア前駆体変換を行うように構成される。
2018530856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
アンモニア前駆体の貯蔵用の少なくとも１つの容器と、
第１及び第２の燃料発生器であって、前記第１及び第２の燃料発生器が、前記アンモニア前駆体を前記燃料電池における使用のための燃料に変換するように構成され、前記第１の燃料発生器が、前記第２の燃料発生器よりも低い温度範囲内で前記アンモニア前駆体の変換を行うように構成される、第１及び第２の燃料発生器と、
を備える、自動車システム。
【請求項２】
前記アンモニア前駆体が尿素である、請求項１に記載の自動車システム。
【請求項３】
前記第１及び第２の燃料発生器が、前記アンモニア前駆体を同一の燃料に変換する、請求項１又は２に記載の自動車システム。
【請求項４】
前記第１及び第２の燃料発生器が、前記アンモニア前駆体を異なる種類の燃料に変換する、請求項１又は２に記載の自動車システム。
【請求項５】
前記第１及び第２の燃料発生器が、前記アンモニア前駆体をアンモニアに変換するように構成される、請求項１から４の何れか一項に記載の自動車システム。
【請求項６】
前記第１の燃料発生器が、前記アンモニア前駆体をアンモニアに分解するのに相応しい触媒を備え、前記触媒が、生物学的触媒である、請求項１から５の何れか一項に記載の自動車システム。
【請求項７】
前記生物学的触媒が、ウレアーゼである、請求項６に記載の自動車システム。
【請求項８】
前記第２の燃料発生器が、前記アンモニア前駆体をアンモニアに分解するのに相応しい触媒を備える、請求項１から７の何れか一項に記載の自動車システム。
【請求項９】
前記触媒が、五酸化バナジウムである、請求項８に記載の自動車システム。
【請求項１０】
少なくとも１つの水素発生器をさらに備え、前記水素発生器が、前記アンモニア前駆体から生成されたアンモニアを少なくとも部分的に水素に分解するように構成される、請求項１から９の何れか一項に記載の自動車システム。
【請求項１１】
それが、アンモニア−水素流出物バッファタンクを備える、請求項１０に記載の自動車システム。
【請求項１２】
アンモニア前駆体の貯蔵用の単一の容器が、前記第１の燃料発生器及び前記第２の燃料発生器の両方に接続される、請求項１から１１の何れか一項に記載の自動車システム。
【請求項１３】
前記燃料電池が、固体酸化物燃料電池である、請求項１から１２の何れか一項に記載の自動車システム。
【請求項１４】
前記第１の燃料発生器及び前記第２の燃料発生器の少なくとも１つが、前記燃料電池によって生成された熱を前記燃料発生器に伝達するように構成された熱伝達手段を備える、請求項１から１３の何れか一項に記載の自動車システム。
【請求項１５】
前記第１の燃料発生器及び前記第２の燃料発生器の少なくとも１つによって生成された燃料を貯蔵するための少なくとも１つのバッファタンクをさらに備える、請求項１から１４の何れか一項に記載の自動車システム。
【請求項１６】
前記システムが、前記燃料電池より低い温度で電気を発生するように構成される追加の燃料電池をさらに備え、前記追加の燃料電池が、アニオン型燃料電池である、請求項１から１５の何れか一項に記載の自動車システム。
【請求項１７】
前記追加の燃料電池が、アルカリ型燃料電池又はアルカリ膜型燃料電池である、請求項１から１６の何れか一項に記載の自動車システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車に搭載される燃料電池、好ましくは固体酸化物燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
車等の自動車は、燃料の酸化を介して電気を生成するための燃料電池を備える。このような燃料電池には、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）が含まれる。ＳＯＦＣは、燃料の酸化を介して電気を生成するために使用され得る電気化学デバイスである。ＳＯＦＣは、高い効率を有するものとして知られ、広範囲の燃料から電力を生成することができる。
【０００３】
ＳＯＦＣは、アノード、カソード、並びに、アノード及びカソードの間に配置される電解質を備える。ＳＯＦＣに関して、電解質は、固体セラミック材料である。ＳＯＦＣが動作中にあるとき、酸素イオンは、固体電解質材料を介してカソードからアノードに流れる。これらの酸素イオンがアノードに達すると、それらは、燃料を酸化するために使用され得る。
【０００４】
一般的に、複数のＳＯＦＣは、“ＳＯＦＣ”スタックを形成するために直列に接続される。
【０００５】
燃料電池は、異なるタイプの多くの燃料を使用することができる。例えば、ＳＯＦＣによって要求される高温のために、ＳＯＦＣは、燃料としてメタン、プロパン及びブタン等の軽質単価水素を使用することができる。さらに、ＳＯＦＣ等の燃料電池はまた、アンモニアを使用することができる。燃料としてのアンモニアの使用は、ＣＯ２排出ゼロの燃料であり、それが如何なる炭素も含まず、アノードのコークス化もあり得ないので、有利であると考えられる。しかしながら、環境条件中のその気体の性質及びその毒性のために、アンモニアは、特に自動車に貯蔵するには不便である。
【０００６】
この問題を解決するために、塩の形態のアンモニアの固体貯蔵が検討されている。しかしながら、多量の塩が要求され、塩の蓄えが、比較的頻繁に補充される必要があるので、固体アンモニア塩の貯蔵は、幾つかの欠点を有する。従って、アンモニアを貯蔵する代わりに、自動車システムは、しばしば、アンモニアに変換することができる尿素等のアンモニア前駆体を貯蔵する。アンモニアへの貯蔵された尿素の変換は、五酸化バナジウム等の触媒を用いることによって（例えば１００℃の温度で）、又は、ウレアーゼ等の酵素を用いることによって（約６０℃で）、熱劣化によって行われ得る（例えば、３気圧の圧力で１２０℃の温度を加えることによって）。
【０００７】
定義として、尿素は、化学式ＣＯ（ＮＨ２）２を有する有機化合物である。この分子は、カルボニル（Ｃ＝Ｏ）官能基によって結合された２つのＮＨ２基を有する。
本明細書において、尿素とは、水中に少なくとも１０重量％の尿素を含む水溶液と理解されなければならない。
【０００８】
定義として、ウレアーゼ（ウレアアミドヒドロラーゼ；ＥＣ３．５．１．５）は、尿素の加水分解に触媒作用を及ぼし、二分子のアンモニア及び一分子の二酸化炭素を生成するニッケル依存の酵素である。これらの酵素は、自然に存在しており、植物、菌類、バクテリア及び動物によって合成される。これらの起源及び四次構造にもかかわらず、ウレアーゼは、それらが共通の系統の酵素から分岐することを示す、アミノ酸配列レベルで５０〜６０％のアイデンティティを占める。
植物及び菌類のウレアーゼは、約８４０のアミノ酸を有する９０ｋＤａ以下の単一タイプのサブユニットの三量体又は六量体である。対照的に、バクテリアのウレアーゼは、植物／菌類のウレアーゼの単一鎖の“フラグメント”に対応する２つ又は３つのポリペプチド鎖のマルチマーである。植物の単一鎖ウレアーゼの半分のＮ末端は、菌類のウレアーゼのより小さい一連の鎖（例えば、Ａ及びＢの）（例えば、クレブシエラ・アエロゲネスウレアーゼのＡ及びＢ鎖又はヘリコバクターピロリウレアーゼのサブユニットＡの）に合致する。植物酵素のＣ末端部は、菌類の酵素のより大きな鎖に対する同族体である（例えば、Ｋ．アエロゲネスウレアーゼのＣ鎖又はＨ．ピロリ酵素のサブユニットＢ）。
ＳＯＦＣは、セラミック材料を含み、典型的には５００から１０００℃の高温で動作する。結果として、ＳＯＦＣの立ち上がり時間は、比較的長く、例えば約１０分間である。この長い立ち上がり時間は、個人用の自動車に要求される立ち上がり時間に適合しない。
【０００９】
さらに、ＳＯＦＣが動作するために高温に達する必要があるので、多量のエネルギーがＳＯＦＣを加熱するために要求される。典型的には、小さな個人用の自動車（小さな乗用車）において、ＳＯＦＣを所望の温度にもっていくために約１ｋＷｈが必要とされ、それは、１０分間の立ち上がり期間中における６ｋＷの出力に相当する。明らかに、より大きな自動車は、ＳＯＦＣを加熱するために、さらに多くのエネルギーを必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、ＳＯＦＣ等の燃料電池を備える自動車システムの立ち上がり時間を低減することが本発明の目的である。
【００１１】
一般的に、動作温度までＳＯＦＣ等の燃料電池を加熱するために高容量のバッテリーが必要とされる。しかしながら、一般的に、このようなバッテリーに関係する大きな重量及び費用のために、自動車で高容量のバッテリーに対する要求を避けることが望まれる。
【００１２】
従って、燃料電池を備えるシステムの立ち上がり中における電力需要を低減することが本発明の目的である。特に、自動車に搭載されて運ばれる必要があるバッテリーの大きさを低減することができるように、立ち上がり中における電力要求を低減することが本発明の目的である。
【００１３】
さらに、ＳＯＦＣ等の燃料電池が停止すると、燃料電池が動作温度から冷却するので、エネルギーの損失がある。従って、燃料電池の停止中に失われるエネルギーを利用し、エネルギー排出を低下させることが本発明の他の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の側面によれば、
−燃料電池と、
−アンモニア前駆体の貯蔵用の少なくとも１つの容器と、
−第１及び第２の燃料発生器であって、前記第１及び第２の燃料発生器が、前記アンモニア前駆体を前記燃料電池における使用のための燃料に変換するように構成され、前記第１の燃料発生器が、前記第２の燃料発生器よりも低い温度範囲内で前記アンモニア前駆体の変換を行うように構成される、第１及び第２の燃料発生器と、を備える、自動車システムが提供される。
【００１５】
本発明の自動車システムは、車等の自動車への搭載に相応しいシステムである。
【００１６】
本発明の第１の側面によれば、異なる温度で動作するように構成された第１の燃料発生器及び第２の燃料発生器を備えるシステムがある。具体的には、第１の燃料発生器は、第２の燃料発生器より低い温度でアンモニア前駆体を燃料に変換することができる。
【００１７】
従って、本発明は、第１の温度範囲でアンモニア前駆体を燃料に変換するように構成された第１の燃料発生器及び第２の温度範囲でアンモニア前駆体を燃料に変換するように構成された第２の燃料発生器を提供し、ここで、第２の温度範囲が第１の温度範囲より高い。
【００１８】
異なる温度でアンモニア前駆体を燃料に変換することができる異なる燃料発生器を提供することにおいて、本発明の第１の側面のシステムはまた、より広い温度範囲にわたって燃料電池における使用のための燃料を生成することができる。
【００１９】
例えば、自動車システム及び燃料電池が暖気運転している間、このシステムは、燃料を生成するために第１の低温発生器を使用することができる。次いで、自動車システム及び燃料電池がより高い温度に達したとき、燃料を生成するためにより高い温度の発生器を使用することが可能になる。
【００２０】
同様に、このシステム及び燃料電池は、燃料電池を停止した後に温度が下がる一方で、このシステムは、第１に、システムの温度が依然として比較的高い間、より高い第２の温度を使用して燃料を生成することができる。しかしながら、ある点において、このシステムは、より高い温度の第２の燃料発生器が動作するには非常に低くなり過ぎる。次いで、より低い温度の発生器は、燃料を生成するために使用され得る。
【００２１】
燃料電池が動作していない間に（すなわち、燃料電池がエネルギーを生成するために燃料を酸化していない間に）第１及び／又は第２の燃料発生器によって生成された燃料は、燃料電池がその動作温度に達すると直ぐに酸化に利用できるように燃料電池に送られ、又は、燃料電池による後の使用のためにバッファタンクに保存され得る。燃料電池が温度に達すると直ぐに利用できる燃料があるので、本発明の第１の側面は、システムの立ち上げ時間を低減させ得、立ち上げ中の出力需要を低減させるのに役立ち得る。
【００２２】
アンモニア前駆体の貯蔵用の少なくとも１つの容器は、液体又は固体形態のアンモニア前駆体（例えば、アンモニア前駆体の溶液）を貯蔵するように構成され得る。このシステムは、アンモニア前駆体の貯蔵用の単一の容器を含み得、この容器は、第１の燃料発生器及び第２の燃料発生器の両方に接続される。あるいは（又は追加的に）、第１及び第２の燃料発生器の各々は、アンモニア前駆体の貯蔵用のそれぞれ独自の容器を備えてもよい。
【００２３】
例示的な実施形態において、アンモニア前駆体は、尿素である。このような実施形態において、容器は、少なくとも尿素の溶液を貯蔵するように構成され得る。
【００２４】
ある実施形態において、第１及び第２の燃料発生器は、アンモニア前駆体を同一の燃料に変換するように構成される。しかしながら、他の実施形態において、第１及び第２の燃料発生器は、アンモニア前駆体を異なる種類の燃料に変換し得る。
【００２５】
例えば、第１の燃料発生器及び第２の燃料発生器の両方は、アンモニア前駆体を、燃料源としてのアンモニアを含む混合物に変換し得る。しかしながら、代替的な実施形態において、第１の燃料発生器は、アンモニア前駆体を、アンモニアを含有する混合物に変換し得る一方で、第２の燃料発生器は、アンモニア前駆体を、燃料源としての水素を含む混合物に変換し得る。アンモニアを水素に少なくとも部分的に変換することは、これが、容易に酸化し、そのため熱がより容易に発生されることを可能にする混合物を生成するので、有利であり得る。
【００２６】
前駆体から生成されるアンモニアを少なくとも部分的に分解することによって第２の燃料発生器が水素を生成する実施形態において、燃料に送られる混合物は、依然としてアンモニア及び水素の混合物を含み得る。
【００２７】
本発明の実施形態において、第１及び第２の燃料発生器は、燃料電池の使用における燃料を生成するために相応しいあらゆる手段であり得る。例えば、燃料発生器は、燃料を生成するために触媒を使用し得、この触媒は、非生物学的触媒又は生物学的触媒であり得る。
【００２８】
ある実施形態において、第１の燃料発生器は、アンモニア前駆体をアンモニアに分解するために相応しい触媒を含み、この触媒は、好ましくは生物学的触媒であり、好ましくはウレアーゼである。第１の燃料発生器がアンモニアを生成するためにウレアーゼを使用する場合、第１の燃料発生器は、２０から８０℃、好ましくは４０から８０℃、より好ましくは４０から６０℃の温度で使用可能である（すなわち、前駆体を燃料に変換することができる）。
【００２９】
本発明の第１の側面の実施形態において、第２の燃料発生器は、アンモニア前駆体をアンモニアに分解するのに相応しい触媒を含み得、この触媒は、五酸化バナジウムである。
【００３０】
本発明の自動車システムのある実施形態はまた、２つ又はそれ以上の燃料発生器を含み得る。例えば、このシステムは、第１及び第２の燃料発生器と異なる温度範囲で作動するのに適した第３の燃料発生器を備え得る。
【００３１】
本発明の第１の側面による自動車システムは、さらに少なくとも１つの水素発生器を含み得る。このシステムが水素発生器を含む場合、この水素発生器は、アンモニア前駆体から生成されたアンモニアを水素に少なくとも部分的に分解するように構成される。
【００３２】
本発明の実施形態において、自動車システムはまた、
−燃料電池と、
−アンモニア前駆体の貯蔵用の少なくとも１つの容器と、
−第１及び第２の燃料発生器であって、前記第１及び第２の燃料発生器が、前記アンモニア前駆体を前記燃料電池における使用のための燃料に変換するように構成され、前記第１の燃料発生器が、前記第２の燃料発生器よりも低い温度範囲内で前記アンモニア前駆体の変換を行うように構成される、第１及び第２の燃料発生器と、
−自動車システムの温度の関数として第１の燃料発生器及び第２の燃料発生器の少なくとも１つの動作を制御するように構成されるコントローラと、を備え得る。
【００３３】
コントローラは、第１の燃料発生器及び第２の燃料発生器の少なくとも１つの動作を制御することができるあらゆる形態の制御モジュールである。例えば、コントローラは、自動車システムの温度又は自動車システムの温度と比較した情報に応じて第１の燃料発生器及び／又は第２の燃料発生器の少なくとも１つを作動させ、及び／又は、止めるように構成され得る。
【００３４】
ある実施形態において、自動車システムは、自動車システムの温度を測定するように構成される温度センサをさらに備え得、コントローラは、温度センサによって測定された温度の関数として第１の燃料発生器及び第２の燃料発生器の少なくとも１つの動作を制御するように構成される。
【００３５】
代替的な実施形態において、自動車システムの温度は、見積もられ得る。例えば、このシステムは、クロック又はストップウォッチ等のタイミングデバイスを含み得る。このタイミングデバイスは、このシステムの立ち上げから経過した時間を測定するために使用することができる。次いで、コントローラは、自動車システムの温度を決定するために、測定された時間を検索テーブル（又はモデル）と比較することができる。そのため、コントローラは、燃料発生器の少なくとも１つを制御するために、この情報を使用することができる。このように、コントローラは、あらゆる温度測定を直接行うことなく、自動車システムの温度の関数として第１及び第２の燃料発生器の少なくとも１つを制御し得る。
【００３６】
本発明の一実施形態において、温度センサによって測定される温度が所定の第１の温度以下であるとき、コントローラは、燃料を発生するように第１の燃料発生器を活性化するように構成され得、温度センサによって測定される温度が、所定の第２の温度以上である場合、コントローラは、燃料を発生するように第２の燃料発生器を活性化するように構成され得る。
【００３７】
本発明のある実施形態において、第１及び第２の温度は、同一の温度であり得る。言い換えると、コントローラは、所定の単一の温度閾値を使用することができる。このような実施形態において、検出された温度が所定の閾値以下であるとき、コントローラは、第１の燃料発生器が動作することを可能にするように構成される。次いで、温度センサによって検出された温度がこの所定の閾値温度を超えるとき、コントローラは、第１の燃料発生器を停止し、第２の燃料発生器が動作することを可能にするように構成される（例えば、第２の燃料発生器の作動によって）。
【００３８】
閾値温度の一例は、５０から２５０℃、例えば１８０℃であり得る。閾値温度が１８０℃である実施形態において、測定された温度がこの値以下であるとき、第１の燃料発生器が作動することが可能である。しかしながら、この温度が１８０℃又はそれ以上を超えると、コントローラは、燃料発生器の構成要素（例えば、生物学的触媒）を保護するために第１の燃料発生器を中止し（すなわち、停止し）、第２の燃料発生器が動作することが可能であるように構成され得る。
【００３９】
代替的な実施形態において、第１及び第２の温度は、異なる温度であり得る。例えば、温度が１５０℃以下であるとき、第１の燃料発生器が動作することが可能である。この温度を超過するとき、コントローラは、第１の燃料発生器を停止するように構成され得る。しかしながら、コントローラは、例えば２００℃である、より高い温度に達するまで、第２の燃料発生器を作動するように構成され得ない。
【００４０】
あるいは、この第１の温度は、第２の温度より高くてもよく、例えば、両方の燃料発生器が１８０から２００℃で並行して運転するように、第１の温度が２００℃であり、第２の温度が１８０℃であり得る。
【００４１】
ある実施形態において、この高い温度の方の発生器が第１の温度発生器より速く且つ効率的な燃料の生産を可能にするので、可能であれば第２の燃料発生器を作動することが有利である。
【００４２】
有利な実施形態において、温度センサによって検出された温度は、固体酸化物燃料電池の温度を代表する。このように、それは、固体酸化物燃料電池がその動作温度にあるときに容易に決定され得る。また、固体酸化物燃料電池の温度が知られている場合、コントローラは、他のシステムの構成要素の温度、例えば燃料発生器の温度を決定するために、この情報を使用するように構成される。
【００４３】
ある実施形態において、このシステムは、複数の温度センサを備え得、コントローラは、検出された複数の温度の関数として第１の燃料発生器及び第２の燃料発生器の少なくとも１つを制御するように構成され得る。
【００４４】
本発明の例示的な実施形態において、燃料電池は、固体酸化物燃料電池である。しかしながら、他の実施形態において、この自動車システムは、あらゆる他のタイプのアンモニアベースの燃料電池を備え得る。
【００４５】
他の例示的な実施形態において、第１の燃料発生器及び第２の燃料発生器の少なくとも１つは、燃料電池によって生成される熱を燃料発生器に伝達するように構成された熱伝達手段を備え得る。このように、第１及び／又は第２の燃料発生器は、燃料電池によって生成された熱を使用して燃料発生器に動力を供給し得る。例えば、燃料発生器は、燃料の前駆体を、燃料発生器によって使用され得る燃料に分解するために、燃料電池によって生成された熱を使用し得る。
【００４６】
本発明のある実施形態において、自動車システムは、第１の燃料発生器及び第２の燃料発生器の少なくとも１つによって生成された燃料を貯蔵するための少なくとも１つのバッファタンクをさらに備える。コントローラを備えるシステムの実施形態において、コントローラは、燃料発生器によって生成された燃料を少なくとも１つのバッファタンクに向かわせるように構成される。
【００４７】
本発明の自動車システムの例示的な実施形態において、燃料電池が停止され、冷却した後に、コントローラは、第１の燃料発生器及び第２の燃料発生器の少なくとも１つによって生成された燃料を少なくとも１つのバッファタンクに向かわせるように構成され得る。
【００４８】
バッファタンクは、燃料を貯蔵するあらゆる形態のユニット、チャンバー又は容器であり得る。
【００４９】
ある実施形態において、このシステムは、燃料電池より低い温度で電気を生成するように構成される追加の燃料電池をさらに備え、追加の燃料電池は、アニオン型燃料電池、好ましくはアルカリ型燃料電池又はアルカリ膜型燃料電池である。
【００５０】
本発明の第２の側面によれば、
−燃料電池と、
−燃料発生器と、
−前記燃料電池からの熱を前記燃料発生器に移すように構成された熱伝達手段と、を備え、
前記燃料発生器が、前記燃料電池の使用における燃料を発生するために前記燃料電池から伝達された熱を使用するように構成される自動車システムが提供される。
【００５１】
このシステムは、燃料電池によって生成された廃熱エネルギーが燃料発生器によって使用されることを可能にする。本発明の第２の側面の例示的な実施形態において、燃料電池は、固体酸化物燃料電池である。
【００５２】
本発明のこの第２の側面の一実施形態において、燃料電池が停止され、動作温度から冷却されると、燃料電池が冷却している間、熱伝達手段は、燃料電池によって生成された熱エネルギーを燃料発生器に伝えるように構成される。従って、このシステムは、さもなければ冷却プロセス中に失われるだろうエネルギーを回収する。
【００５３】
本発明のこの第２の側面の他の実施形態において、燃料電池が作動され、動作温度まで温められるとき、燃料電池が動作温度まで温められている間、熱伝達手段は、燃料電池によって生成された熱エネルギーを燃料発生器に送るように構成される。この段階で燃料電池によって放出される廃熱エネルギーを使用することによって、燃料を生成することが可能になり得、それがその動作温度に達するときに燃料電池によって使用されるために準備されるようになる。
【００５４】
本発明の第２の側面の実施形態はまた、バッファタンク及びコントローラを備え得、コントローラは、燃料発生器によって生成された燃料をバッファタンクに向かわせ、バッファ内に貯蔵された燃料を燃料電池に向かわせるように構成される。
【００５５】
本発明の第２の側面のある実施形態において、熱伝達手段は、燃料電池によって生成された熱エネルギーの少なくとも２０％、好ましくは少なくとも４０％を回収するように構成される。
【００５６】
本発明のこの第２の側面の実施形態において、燃料発生器は、燃料電池の使用における燃料を生成するために相応しい手段である。例えば、燃料発生器は、１つ又はそれ以上の物質（燃料に分解され得る燃料の前駆体等）からこの燃料を生じさせるための手段であり得る。燃料発生器は、燃料を生成するために触媒を使用し得、この触媒は、非生物学的又は生物学的触媒であり得る。
【００５７】
燃料電池がアンモニア燃料を使用するように構成される実施形態において、燃料発生器は、アンモニア前駆体からアンモニアを生成するように構成されるサブシステムであり得る。
【００５８】
さらに、ある実施形態において、本発明の第２の側面の燃料発生器は、２つの燃料発生器を備え得、コントローラは、温度センサによって検出されたシステムの温度の関数として、第１及び第２の燃料発生器である２つの燃料発生器を制御するように構成される。
【００５９】
本発明の第１の側面に関して、温度センサによって検出された温度は、第１の温度以下であり、コントローラは、燃料を生成するために第１の燃料発生器を使用するように構成され得る。さらに、温度センサによって検出された温度が第２の温度以上であるとき、コントローラは、燃料を生成するために第２の燃料発生器を使用するように構成される。
【００６０】
本発明の第１の側面に関して、温度センサは、自動車システム内の複数の可能な点に位置し得る。第２の側面の実施形態はまた、２つ以上の温度センサを備え得る。
【００６１】
本発明の第２の側面のある実施形態において、自動車システムはまた、追加の燃料電池を備え得る。この追加の燃料電池は、他の燃料電池より低い温度で電気を発生するように構成され得る。追加の燃料電池は、アルカリ型燃料電池又はアルカリ膜型燃料電池等であるアニオン型燃料電池であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
添付の図面は、ここに提供される本発明のデバイスの好ましい非限定的で例示的な実施形態を示すために使用される。本発明の特徴及び目的の上記及び他の利点は、より明らかになり、本発明は、添付の図面と合わせて読むことによって以下の詳細な説明からより理解されるだろう。
【００６３】
【図１】本発明による自動車システムの実施形態を示す図である。
【図２】本発明による自動車システムの他の実施形態を示す図である。
【図３】本発明による自動車システムの実施形態を示す図である。
【図４】本発明による自動車システムの更なる実施形態を示す図である。
【図５】本発明による自動車システムの他の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６４】
図１から図５は、本発明による自動車システムの実施形態を示す。これらの実施形態は全て、燃料電池１、第１の燃料発生器２、第２の燃料発生器３、アンモニア前駆体を貯蔵する容器４、及び、第１の燃料発生器２及び／又は第２の燃料発生器３によって生成される流出物を収集するバッファタンク５を備える。
【００６５】
図１から図５の実施形態において、燃料電池１は、好ましくは、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）である。従って、以下の詳細な説明において、燃料電池は、固体酸化物燃料電池１であるとして記載される。しかしながら、これらの実施形態において他の燃料電池を使用することができるだろう。
【００６６】
アンモニア前駆体を貯蔵する容器４は、アンモニア前駆体を貯蔵するのに相応しいあらゆる形態のタンクであり得る。好ましくは、容器４は、アンモニア前駆体の溶液、最も好ましくはＡｄＢｌｕｅ（登録商標）（ディーゼル排出流体（ＤＥＦ）として知られる）等の尿素溶液を貯蔵するように構成される。容器４がＡｄＢｌｕｅ（登録商標）又は他の尿素溶液を貯蔵するように構成される場合、ある実施形態において、この溶液は、それが容器４に加えられる前に、追加の尿素を用いて強化され得る。
【００６７】
示された実施形態の全てにおいて、アンモニア前駆体用の単一の容器４は、第１の燃料発生器２及び第２の燃料発生器３の両方に接続される。第１の燃料発生器２及び第２の燃料発生器３は、容器４に貯蔵されたアンモニア前駆体からアンモニアを生成することができる。生成されたアンモニアは、次いで、固体酸化物燃料電池１に供給され、そこで、それは、酸化され電気を生じさせる。
【００６８】
示された実施形態において、第２の燃料発生器３は、第１の燃料発生器２より高い温度で動作するように構成される（すなわち、第１の燃料発生器２は、第２の燃料発生器３より低い温度で動作するように構成される）。例えば、第２の燃料発生器３は、約２００℃の温度等の８０℃を超える温度で動作するように構成され得る。対照的に、第１の燃料発生器２は、例えば８０℃以下である低温で動作するように構成される。
【００６９】
第１の燃料発生器２は、燃料発生器がウレアーゼ等の生物学的触媒を含む場合、８０℃以下の温度で動作するのに特に非常に適している。
【００７０】
第２の燃料発生器３は、五酸化バナジウム等の触媒を含み得る。この場合、第２の燃料発生器におけるアンモニア前駆体からアンモニアへの変換は、十分な熱活性状態において触媒によって行われる。
あるいは、第２の燃料発生器におけるアンモニア前駆体からアンモニアへの変換は、熱劣化のみによってあらゆる触媒を用いることなく行われ得る。
【００７１】
燃料発生器２、３の両方からの流出物は、固体酸化物燃料電池１又はアンモニア流出物バッファタンク５に向けられ得る。
【００７２】
図に示されるシステムはまた、第１の燃料発生器２及び／又は第２の燃料発生器３によって生じる流出物の流れを制御するためのコントローラ（示されない）が備えられ得る。
【００７３】
さらに、図に示されるシステムは、自動車システムの温度を測定するように構成される温度センサ（示されない）を追加的に含み得る。コントローラは、次いで、測定されたこの温度の関数として第１の燃料発生器２及び第２の燃料発生器３の少なくとも１つを制御するように構成され得る。
【００７４】
温度センサは、第１の燃料発生器２又は第２の燃料発生器３の温度を測定し得る。温度センサは、代替的に、燃料発生器を固体酸化物燃料電池１に接続するライン（例えば、道管、チューブ又はパイプ）の温度を測定するように構成され得る。温度センサはまた、固体酸化物燃料電池１自体の温度を測定し得る。ある実施形態において、システムは、複数の温度センサを含み得る。このような実施形態において、コントローラは、測定された複数の温度の関数として１つ又はそれ以上のシステム構成要素を制御するように構成され得る。
【００７５】
図１から図４のシステムにおいて、温度センサによって検出された温度が第１の温度以下である場合、コントローラは、この燃料発生器がより低い温度で動作するように構成されるので、燃料を生成するために第１の燃料発生器２を使用するように構成され得る。逆に、温度センサによって検出される温度が第２の温度以上である場合、コントローラは、燃料を生成するために第２の燃料発生器３を使用するように構成され得る。
【００７６】
示されたシステムにおいて、固体酸化物燃料電池１の出力の少なくとも幾つかは、排気システム１１に送られる。
【００７７】
図１に示される自動車システムの立ち上がりにおいて、固体酸化物燃料電池１は、電気ヒーター（図に示されない）を用いて電気的に加熱され得る。例えば、加熱手段は、自動車に搭載されているバッテリーによって電力が供給される電気抵抗加熱デバイスであり得る。固体酸化物燃料電池１は、燃料を酸化するために使用され得る前に、動作温度まで加熱される必要がある。
【００７８】
第１の燃料発生器２は、立ち上がり時に開始され得る。例えば、所望の温度に到達するときに固体酸化物燃料１が動作することができる十分な燃料を含まない場合、第１の燃料発生器２によって生成される流出物は、固体燃料酸化物電池１に送られ得る。従って、自動車の立ち上がり時に、コントローラは、第１の燃料発生器２を開始するように構成され得る。
【００７９】
固体酸化物燃料電池１が立ち上がるために十分にアンモニアを有すると、第１の燃料発生器２は、次いでコントローラによってアンモニア流出物バッファタンク５に送られるアンモニアを生成することを続け得る。
【００８０】
固体酸化物燃料電池１の動作温度に達するとき、アンモニア流出物は、第１の燃料発生器２から、及び／又は第２の燃料発生器から、及び／又はアンモニア流出物バッファタンク５から、アンモニアが酸化される固体酸化物燃料電池１に直接送られ得る。
【００８１】
固体酸化物燃料電池１にアンモニアを送ることに加えて、システムはまた、固体酸化物燃料電池１に酸化剤を提供するように構成される。この酸化剤は、典型的には、固体酸化物燃料電池に空気の流れを供給することによって提供される。固体酸化物燃料電池１に向けられる燃料及び／又は酸化剤は、それらが固体酸化物燃料電池１に到達する前に予備加熱され得る。
【００８２】
作動された後に固体酸化物燃料電池１によって生成された熱は、第１及び第２の燃料発生器２，３の１つ又はそれ以上を温めるために使用され得る。従って、ある実施形態において、第１及び第２の燃料発生器２、３は、固体酸化物燃料電池１によって生成された排熱エネルギーを利用するように構成される熱伝達手段を含み得る。例えば、これらの熱伝達手段は、燃料発生器２、３の間に直接的な接触を許容し得、固体酸化物燃料電池又は熱伝達手段は、熱交換器であり得る。
【００８３】
一実施形態において、固体酸化物燃料電池１が第２の燃料発生器３を適切な温度まで（すなわち、それが動作し得る温度まで）加熱すると、第２の燃料発生器３は、動作し始め、第１の燃料発生器２は、コントローラによって停止される。第１の燃料発生器２の停止によって、ウレアーゼ等の触媒が早急に消耗されるのが避けられる。固体酸化物燃料電池１によって生成された熱は、次いで、アンモニア前駆体を固体酸化物燃料電池１における使用のためのアンモニア燃料に分解するために第２の燃料発生器３によって使用される。
【００８４】
ある実施形態において、第１の燃料発生器２及び／又は第２の燃料発生器３の熱は、電気抵抗加熱デバイス等の追加の加熱手段によって提供される熱によって補われ得る。熱を制御する手段（例えば、ファン）がまた備えられ得る。固体酸化物燃料電池１が停止されると、それが冷却するので、熱は、固体酸化物燃料電池１によって依然として放出される。
【００８５】
この冷却中に、生成された熱がその動作温度においてそれを維持するために十分である間、第２の燃料発生器３は、動作し続ける。さらに、アンモニア流出物バッファタンク５が燃料発生器３によって生成された流出物を含むための空間を有するのであれば、第２の燃料発生器は、冷却中に動作し続ける。
【００８６】
固体酸化物燃料電池１によって放出された熱の量が、もはや第２の燃料発生器３が動作するのを維持するために十分でないが、第１の燃料発生器２の動作温度に達するための十分な熱があるとき、コントローラは、第２の燃料発生器３を停止し、第１の燃料発生器２を作動する。次いで、このプロセスを行うために十分な熱がもはやなくなるまで、又は、バッファタンク５がアンモニアで満杯になるまで、又は、バッファタンク５のアンモニアの量が閾値を超えるまで、第１の燃料発生器２は、アンモニア前駆体をアンモニアに分解し続ける。
【００８７】
どの程度の量の流出物がバッファタンク５に貯蔵されるかを決定するために、バッファタンク５は、例えば重量センサ又はバッファタンク５の流出物のレベルを検知するデバイスである、ある形態のセンサが備えられ得る。次いで、コントローラは、燃料発生器２、３の１つ又はそれ以上の動作を制御するためのバッファタンク５のセンサによって提供される情報を使用するように構成される。
【００８８】
停止中に固体酸化物燃料電池１によって生成された熱を用いる点において、システムによって浪費されるエネルギーが減る。それどころか、固体酸化物燃料電池１が停止している間に熱として失われたエネルギーの一部は、排熱エネルギーを回収し、アンモニア前駆体をアンモニアに変換するためにそれを用いることによって回収され得る。
【００８９】
ある実施形態において、アンモニア流出物バッファタンク５は、尿素溶液タンク４内に配され得る。
【００９０】
図１に示されるように、固体酸化物燃料電池１によって放出された気体の一部は、システムの効率を増加させるように、再利用され、固体酸化物燃料電池１に戻され得る。固体酸化物燃料電池によって放出された気体の再利用は、ライン２０で示される。
【００９１】
再利用されない固体酸化物燃料電池１からの出力の一部は、さらなる処理に晒され得る排気装置に向けられる。例えば、固体酸化物燃料電池から逃げたアンモニアは、燃焼後ステップにおいて排気装置内で燃焼され得、又は、アンモニアは、触媒的に酸化され得る。さらに、固体酸化物燃料電池１によって放出された気体の熱は、順に、固体酸化物燃料電池１及び／又はシステムの他の部品、例えば、第１及び第２の燃料発生器２、３を加熱するために使用され得る。
【００９２】
固体酸化物燃料電池１によって放出された気体はまた、窒素酸化物の排出を抑制又は低減させるために選択的触媒還元（ＳＣＲ）において使用され得る。
【００９３】
固体酸化物燃料電池１によって放出された気体はまた、過剰の量の窒素酸化物を含む場合、例えば選択的触媒還元を用いて洗浄され得る。
【００９４】
以上に記載されるように、第１の実施形態において、第１及び第２の燃料発生器２、３は、固体酸化物燃料電池１の冷却中に燃料を発生するように使用され得る。例えば、停止時に１ｋＷｈのエネルギーが固体酸化物燃料電池内に熱として貯蔵される場合、図１のシステムは、例えば、このエネルギーの５０％を回収し得、すなわち、このシステムは、０．５ｋＷｈのエネルギーを回収し得る。これは、尿素等のアンモニア前駆体を、次いでシステムに貯蔵されるアンモニアに変換するために燃料発生器２、３の両方を用いることによって達成される。貯蔵されたアンモニアは、次いで、立ち上がり後に固体酸化物燃料電池１内で直接使用され得ることができ、アンモニア燃料を生成するために立ち上がり後のシステムへの入力として必要とされる量のエネルギーを低減させる。
【００９５】
アンモニア前駆体をアンモニアに変換することは、尿素のエネルギーレベル（２．５ｋＷｈ）を３．０ｋＷｈまで引き上げる。燃料発生器２、３によって、アンモニア流出物の形態の３．０ｋＷｈは、従って、次の立ち上がりのために利用され得、約０．５ｋＷｈの電気エネルギーが節約される（アンモニア流出物を生成するために必要とされるエネルギーから）。
【００９６】
好ましくは、図１によって示されるシステムは、停止中に固体酸化物燃料電池１から失われたエネルギーの少なくとも２０％、より好ましくは約４０％を回収することができる。
【００９７】
代替的な実施形態において、単一の燃料発生器のみが、冷却プロセス中に燃料を生成するために使用され得る。例えば、低温で使用されるように構成された燃料発生器が使用され得る。単独での第１の燃料発生器２の使用は、２つの燃料発生器を備えるシステムに対して同様の性能を達成し得るが、同一の結果を得るために、より時間が掛かり、より酵素触媒に依存する。あるいは、より高い温度で使用されるように構成される燃料発生器のみ、すなわち第２の燃料発生器が使用され得る。しかしながら、その動作温度で第２の燃料発生器３を維持するように固体酸化物燃料電池１が十分な熱を生成しない場合に、この変換は停止するので、より高い温度の燃料発生器の単独での使用は、生成されるアンモニア流出物の量を低減する。
【００９８】
図２に示されるシステムが図１に示されるシステムと実質的に同一であるので、このシステムは、主に図１のシステムと同様に動作する。
【００９９】
図２のシステムは、さらに第２の燃料電池６を備えるので、図１に示されるシステムと異なる。さらなるこの燃料電池（第２の燃料電池）６は、固体酸化物燃料電池１より低い温度で動作するように構成される。
【０１００】
ある実施形態において、第２の燃料電池６は、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）であり得る。アルカリ型燃料電池は、典型的には低い動作温度を有する。例えば、アルカリ型燃料電池は、大気温度又は大気温度より少し高い温度（約１２０℃未満）で動作するように構成され得る。
アルカリ型燃料電池はまた、アルカリ膜型燃料電池（ＡＭＦＣ）であり得る。
【０１０１】
システムの始動において、第２の燃料電池６は、固体酸化物燃料電池１より非常に速い動作状態に置かれ得る。動作中、第２の燃料電池６は、燃料としてバッファタンクに貯蔵されたアンモニア流出物を使用し得る。あるいは（又は追加的）、第２の燃料電池６において使用される燃料は、より低い第１の燃料発生器２によって生成され得る。第２の燃料電池６は、次いで、システムの残部（固体酸化物燃料電池１、第２の燃料発生器３等）を加熱するために使用され得る電気を発生し、及び／又は自動車を駆動するモータからの電力需要を支持するために使用され得る。
【０１０２】
第２の燃料電池６の損失によって生成される熱はまた、より低い温度の第１の燃料発生器２の温度を維持するために使用され得る。例えば、第１の燃料発生器２は、第２の燃料電池６からの排熱を第１の燃料発生器２に伝えるように構成される熱伝達手段が備えられ得る。
【０１０３】
図２のシステムの固体酸化物燃料電池１がその動作温度に達すると、コントローラ（示されない）は、第２の燃料電池６を停止する。さらに、より低い温度で動作することができる燃料発生器である第１の燃料発生器２はまた、コントローラによってこの点で停止し得、コントローラは、より高い温度の第２の燃料発生器３を作動するように構成され得る。
【０１０４】
固体酸化物燃料電池１が停止すると、この手順は、図１のシステムに関して記載されたものと本質的に同一である：第２の燃料発生器３は、温度が許す限りにおいて（且つ、生成される流出物用のバッファタンク５に空間があるという条件で）動作し続ける。固体酸化物燃料電池１がもはやその動作温度で第２の燃料発生器３を維持するための十分な熱を生成しないとき、コントローラは、より高いこの温度の第２の燃料発生器３を停止し、第１の燃料発生器２を作動する。これは、システムの温度が、より低いこの第１の燃料発生器２を動作するために十分に高く、生成した流出物を貯蔵するためのバッファタンク５に十分な空間がある場合である。
【０１０５】
必要があれば、第２の燃料電池６は、システムが立ち上がりの準備がされていることを保証するためにシステム内のあらゆる電気バッテリーを充電するために、固体酸化物燃料電池１の停止中に作動され得る。
【０１０６】
例えば、３．０ｋＷｈのアンモニア流出物が図１に関連して記載されるような燃料発生器によって発生されていることを考えると、アルカリ型燃料電池は、立ち上がり時に１．５ｋＷｈの電気エネルギーを生成し得る。最初の１０分間及び最初の２０分間に自動車を動かすために必要とされる電力がそれぞれ２ｋＷｈ及び４ｋＷｈである場合、これは、電力需要の７５％及び３７．５％を表す。この電気エネルギーは、電気バッテリーから抽出されなければならず、そのため、これらが小型化されることを可能にする。
【０１０７】
図３に示されるシステムは、図２に示されるものと同様である。従って、図３のシステムは、図２のシステムと（及び、従って、図１のシステムとも）実質的に同様の方法で動作する。
【０１０８】
水素発生器７及び追加のバッファタンク８は、図３のシステムを形成するために図２のシステムに加えられている。
【０１０９】
図３のシステムにおいて、アンモニア及び水素の両方を含む流出物は、水素発生器７及び酸化物燃料電池１によって生成される。代替的な実施形態において、アンモニア及び水素バッファタンク８は、固体酸化物燃料電池１の排出口から、又は、水素発生器７によってのみ供給され得る。
【０１１０】
図３に示される実施形態において、第１の燃料発生器２及び／又は第２の燃料発生器３によって生成されるアンモニアは、２つの部分に分割され得、ここで、第１の部分は、燃料としての使用のために固体酸化物燃料電池１に送られ、アンモニアの第２の部分は、水素への少なくとも部分的な分解のために、コントローラによって水素発生器に向けられる。従って、図３のシステムにおいて、第１の燃料発生器２及び／又は第２の燃料発生器３によって生成されたアンモニアの一部は、これが、酸化が容易である混合物を生成し、より容易に熱が生成されることを可能にするので、水素に変換される。
【０１１１】
図３によって示されるシステムにおいて、アンモニア及び水素バッファタンク８は、アンモニア前駆体の容器４及び他のバッファタンク５に対してシステムの他の位置に配置される。しかしながら、代替的な実施形態において、アンモニア−水素流出物バッファタンク５は、安全性を高めるために、アンモニア前駆体タンク４内及び／又はアンモニア流出物バッファタンク５内に配置され得る。
【０１１２】
図４は、図３のシステムのような、アンモニア−水素流出物を生成する、システムの更なる実施形態を示す。
【０１１３】
図４のシステムにおいて、システムによって、例えば水素発生器７及び固体酸化物燃料電池１によって生成されたアンモニア−水素流出物は、アンモニア−水素燃焼器９によって燃焼され得る。図４のシステムにおいて、コントローラ（示されない）は、アンモニア−水素流出物バッファタンク８内に貯蔵されたアンモニア−水素混合物を燃焼器９に向けるように構成される。アンモニア−水素流出物を燃焼することは、固体酸化物燃料電池１、第１の燃料発生器２、及び／又は第２の燃料発生器３等のシステムの他の部品に分配され得る熱を生成する。
【０１１４】
アンモニア−水素燃焼器９によって生成される熱を利用するために、図４のシステムは、複数の熱交換器１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊが備えられる。これらの熱交換器は、アンモニア−水素燃焼器９によって生成された熱を、熱交換器が取り付けられたシステムの部品に伝えることができる。例えば、固体酸化物燃料電池１に結合された熱交換器１０ａは、燃焼器９によって生成された熱を捕え、固体酸化物燃料電池１を加熱するためにそれを使用するために使用され得る。他の例として、排気システム１１の少なくとも一部に取り付けられた熱交換器１０ｊがあり得る。例えば、熱交換器１０ｊは、排気ガスを取り扱う排気システム１１に提供される装置（ＳＣＲ等）に取り付けられ得る。
【０１１５】
図４のシステムにおいて、システム構成要素の殆どは、熱交換器が備えられる。しかしながら、代替的な実施形態において、システム構成要素の１つだけ又は数個だけに熱交換器が備えられ得る。
【０１１６】
図４のシステムにおいて、適切な燃焼を保証するために空気が燃焼器９に供給される（空気の供給は、図に示されない）。さらに、この実施形態において、燃焼器によって生成された気体の少なくとも一部は、燃焼器９に戻され、それらが再利用され、さらなる熱を生成するために使用され得る。
【０１１７】
図４に示されるシステムの立ち上がりにおいて、システムは、図３のシステム（従って、図１及び図２のシステム）と同様の方法で動作する。しかしながら、図４のシステムがアンモニア−水素燃焼器９を備えるので、システムの立ち上がり時にアンモニア−水素バッファタンク８に貯蔵されるアンモニア−水素流出物がある場合、この混合物は、燃焼器９において燃焼され得る。燃焼器９におけるアンモニア−水素流出物の燃焼は、熱を生成する。燃料器９によって生成された熱は、固体酸化物燃料電池１及び／又はシステムの他の構成要素に分配され得る。従って、立ち上がりにアンモニア−水素混合物を燃焼することによって、他のエネルギー生成手段（例えば、自動車に搭載されるあらゆるバッテリー）における需要は、低下する。
【０１１８】
固体酸化物燃料電池１及び／又は他のシステム構成要素（例えば、第１及び／又は第２の燃料発生器２、３）がその動作温度に達すると、燃焼器９は、停止し得る。
【０１１９】
図４のシステムの動作中、枯渇したアンモニア−水素流出物タンク８は、固体酸化物燃料電池１及び／又は水素発生器７の出力によって生成される気体で最充填される。最適な再開始条件を保証するためにタンク８が適切なレベルの流出物を含むと見なされるまでは、アンモニア−水素流出物は、コントローラによって関係性のあるバッファタンク８に送られる。
【０１２０】
ある実施形態において、固体酸化物燃料電池１からの出力がアンモニア−水素バッファタンク８を再充填するために十分ではないと見なされる場合、水素発生器７は、バッファタンク８の貯蔵のためにアンモニア−水素流出物を生成し始める。
【０１２１】
固体酸化物燃料電池１が停止すると、図４のシステムは、図１のシステムと同様の手順に従う。しかしながら、図４のシステムにおいて、第２の燃料発生器３及び水素発生器７の両方は、固体酸化物燃料電池１がこれらの装置の動作温度を維持するために十分な熱を生成している限りにおいて、関係性があるバッファタンク５、８がさらなる流出物用の空間を有するという条件で、動作し続ける。図１のシステムに関して、第２の燃料発生器３が低温になり過ぎると、コントローラは、第２の燃料発生器３を停止し、より低温の第１の燃料発生器２を作動する。この第１の燃料発生器２は、次いで、固体酸化物燃料電池１が、第１の燃料発生器がアンモニアを生成することを可能にするために十分な熱を生成している限りにおいて、アンモニアバッファタンク５にさらなるアンモニア用の空間がある間、動作し続ける。
【０１２２】
図２及び図３に示されるシステムに関して、図４のシステムはまた、第２の燃料電池６を備える。固体酸化物燃料電池１が停止された後、第２の燃料電池６は、電気を発生させるために固体酸化物燃料電池１によって生成された排熱を使用し得る。この電気は、例えば自働車に搭載された１つ又はそれ以上の電気バッテリーを再充電するために使用され得る。
【０１２３】
図５は、本発明による自動車システムの他の実施形態を示す。この特定の実施形態は、燃料電池１、触媒分解に基づく第１の燃料発生器２、熱分解に基づく第２の燃料発生器３、アンモニア前駆体を貯蔵する容器４、及び、第１の燃料発生器２及び／又は第２の燃料発生器３によって生成された流出物を収集するためのバッファタンク５を備える。
【０１２４】
図５の実施形態において、燃料電池１は、好ましくは固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）である。従って、以下の詳細な説明において、燃料電池は、固体酸化物燃料電池１であるとして記載される。しかしながら、この特定の実施形態において他の燃料電池を使用することも可能である。
【０１２５】
アンモニア前駆体を貯蔵する容器４は、アンモニア前駆体を貯蔵するために相応しいあらゆる形態のタンクであり得る。好ましくは、容器４は、アンモニア前駆体の溶液、最も好ましくは、ＡｄＢｌｕｅ（登録商標）（ディーゼル排出流体（ＤＥＦ）として知られる）等の尿素溶液を貯蔵するように構成される。容器４がＡｄＢｌｕｅ（登録商標）又は他の尿素溶液を貯蔵するように構成される場合、ある実施形態において、この溶液は、それが容器４に加えられる前に、追加の尿素を用いて強化され得る。
【０１２６】
示された実施形態の全てにおいて、アンモニア前駆体用の単一の容器４は、第１の燃料発生器２及び第２の燃料発生器３の両方に接続される。第１の燃料発生器２及び第２の燃料発生器３は、容器４に貯蔵されたアンモニア前駆体からアンモニアを生成することができる。生成されたアンモニアは、次いで、固体酸化物燃料電池１に供給され、そこで、それは、酸化され電気を生じさせる。
【０１２７】
示された実施形態において、第２の燃料発生器３は、第１の燃料発生器２より高い温度で動作するように構成される（すなわち、第１の燃料発生器２は、第２の燃料発生器３より低い温度で動作するように構成される）。
例えば、第２の燃料発生器３は、２００℃から８００℃の温度で動作するように構成され得、第１の燃料発生器２は、２０℃から３５０℃の温度で動作するように構成され得る。
【０１２８】
燃料発生器が触媒を含まない場合、熱分解に基づく第１の燃料発生器２は、特に、２０℃から３５０℃の温度で動作するように適合される。
そのため、第１の燃料発生器２は、触媒を必要とすることなく熱分解によって容器４に貯蔵されたアンモニア前駆体からアンモニアを生成することができる。
【０１２９】
第１の燃料発生器２は、電気ヒーター（図に示されない）を用いて電気的に加熱され得る。例えば、加熱手段は、自動車に搭載されているバッテリーによって電力が供給される電気抵抗加熱デバイスであり得る。電気抵抗加熱デバイスは、金属加熱フィラメント（ワイヤ）、フレキシブルヒーター（すなわち、フィルムに固定され又は２つのフィルム（すなわち、その材料及び厚さがフレキシブルであるような、実質的に平坦な２つの支持体）の間に配された１つ又は複数の抵抗トラックを備えるヒーター）、又は、ＳＣＲシステムの構成要素に挿入され及び／又は巻き付けられるのに相応しい形状、大きさ及び柔軟性を有するあらゆる他のタイプの抵抗要素であり得る。
ある実施形態において、第１及び第２の燃料発生器２、３は、固体酸化物燃料電池１によって生成される排熱エネルギーを利用するように構成される、熱交換器等の熱伝達手段を備え得る。
熱を制御する手段（例えば、ファン）も備えられ得る。
第１の燃料発生器２は、それがアンモニアを生成し得る前に動作温度まで加熱される必要がある。
【０１３０】
第２の燃料発生器３は、五酸化バナジウム等の触媒を含み得る。
【０１３１】
燃料発生器２、３の両方からの流出物は、固体酸化物燃料電池１又はアンモニア流出物バッファタンク５に向けられ得る。
【０１３２】
図に示されるシステムはまた、第１の燃料発生器２及び／又は第２の燃料発生器３によって生じる流出物の流れを制御するためのコントローラ（示されない）が備えられ得る。
【０１３３】
さらに、図に示されるシステムは、自動車システムの温度を測定するように構成される温度センサ（示されない）を追加的に含み得る。コントローラは、次いで、測定されたこの温度の関数として第１の燃料発生器２及び第２の燃料発生器３の少なくとも１つを制御するように構成され得る。
【０１３４】
温度センサは、第１の燃料発生器又は第２の燃料発生器の温度を測定し得る。温度センサは、代替的に、燃料発生器を固体酸化物燃料電池１に接続するライン（例えば、道管、チューブ又はパイプ）の温度を測定するように構成され得る。温度センサはまた、固体酸化物燃料電池１自体の温度を測定し得る。ある実施形態において、システムは、複数の温度センサを含み得る。このような実施形態において、コントローラは、測定された複数の温度の関数として１つ又はそれ以上のシステム構成要素を制御するように構成され得る。
【０１３５】
図５のシステムにおいて、温度センサによって検出された温度が第１の温度以下である場合、コントローラは、この燃料発生器がより低い温度で動作するように構成されるので、燃料を生成するために第１の燃料発生器２を使用するように構成され得る。逆に、温度センサによって検出される温度が第２の温度以上である場合、コントローラは、燃料を生成するために第２の燃料発生器３を使用するように構成され得る。
【０１３６】
示されたシステムにおいて、固体酸化物燃料電池１の出力の少なくとも幾つかは、排気システム１１に送られる。
【０１３７】
図５に示される自動車システムの立ち上がりにおいて、固体酸化物燃料電池１は、電気ヒーター（図に示されない）を用いて電気的に加熱され得る。例えば、加熱手段は、自動車に搭載されているバッテリーによって電力が供給される電気抵抗加熱デバイスであり得る。固体酸化物燃料電池１は、燃料を酸化するために使用され得る前に、動作温度まで加熱される必要がある。
【０１３８】
第１の燃料発生器２はまた、立ち上がり時に開始され得る。例えば、所望の温度に到達するときに固体酸化物燃料１が動作することができる十分な燃料を含まない場合、第１の燃料発生器２によって生成される流出物は、固体燃料酸化物電池１に送られ得る。従って、自動車の立ち上がり時に、コントローラは、第１の燃料発生器２を開始するように構成され得る。
【０１３９】
固体酸化物燃料電池１が立ち上がるために十分にアンモニアを有すると、第１の燃料発生器２は、次いでコントローラによってアンモニア流出物バッファタンク５に送られるアンモニアを生成することを続け得る。
【０１４０】
固体酸化物燃料電池１の動作温度に達するとき、アンモニア流出物は、第１の燃料発生器２から、及び／又は第２の燃料発生器から、及び／又はアンモニア流出物バッファタンク５から、アンモニアが酸化される固体酸化物燃料電池１に直接送られ得る。
【０１４１】
固体酸化物燃料電池１にアンモニアを送ることに加えて、システムはまた、固体酸化物燃料電池１に酸化剤を提供するように構成される。この酸化剤は、典型的には、固体酸化物燃料電池に空気の流れを供給することによって提供される。固体酸化物燃料電池１に向けられる燃料及び／又は酸化剤は、それらが固体酸化物燃料電池１に到達する前に予備加熱され得る。
【０１４２】
作動された後に固体酸化物燃料電池１によって生成された熱は、第１及び第２の燃料発生器２，３の１つ又はそれ以上を温めるために使用され得る。従って、ある実施形態において、第１及び第２の燃料発生器２、３は、固体酸化物燃料電池１によって生成された排熱エネルギーを利用するように構成される熱伝達手段を含み得る。例えば、これらの熱伝達手段は、燃料発生器２、３の間に直接的な接触を許容し得、固体酸化物燃料電池又は熱伝達手段は、熱交換器であり得る。
【０１４３】
ある実施形態において、第１の燃料発生器２及び／又は第２の燃料発生器３の熱は、電気抵抗加熱デバイス等の追加の加熱手段によって提供される熱によって補われ得る。熱を制御する手段（例えば、ファン）がまた備えられ得る。
【０１４４】
固体酸化物燃料電池１が停止されるとき、それが冷却するので、熱は、固体酸化物燃料電池１によって依然として放出される。
【０１４５】
この冷却中に、生成された熱がその動作温度においてそれを維持するために十分である間、第２の燃料発生器３は、動作し続ける。さらに、アンモニア流出物バッファタンク５が燃料発生器３によって生成された流出物を含むための空間を有するのであれば、第２の燃料発生器３は、冷却中に動作し続ける。
【０１４６】
固体酸化物燃料電池１によって放出された熱の量が、もはや第２の燃料発生器３が動作するのを維持するために十分でないが、第１の燃料発生器２の動作温度に達するための十分な熱があるとき、コントローラは、第２の燃料発生器３を停止し、第１の燃料発生器２を作動する。次いで、このプロセスを行うために十分な熱がもはやなくなるまで、又は、バッファタンク５がアンモニアで満杯になるまで、又は、バッファタンク５のアンモニアの量が閾値を超えるまで、第１の燃料発生器２は、アンモニア前駆体をアンモニアに分解し続ける。
【０１４７】
どの程度の量の流出物がバッファタンク５に貯蔵されるかを決定するために、バッファタンク５は、例えば重量センサ又はバッファタンク５の流出物のレベルを検知するデバイスである、ある形態のセンサが備えられ得る。次いで、コントローラは、燃料発生器２、３の１つ又はそれ以上の動作を制御するためのバッファタンク５のセンサによって提供される情報を使用するように構成される。
【０１４８】
停止中に固体酸化物燃料電池１によって生成された熱を用いる点において、システムによって浪費されるエネルギーが減る。それどころか、固体酸化物燃料電池１が停止している間に熱として失われたエネルギーの一部は、排熱エネルギーを回収し、アンモニア前駆体をアンモニアに変換するためにそれを用いることによって回収され得る。
【０１４９】
ある実施形態において、アンモニア流出物バッファタンク５は、尿素溶液タンク４内に配され得る。
【０１５０】
図５に示されるように、固体酸化物燃料電池１によって放出された気体の一部は、システムの効率を増加せるように、再利用され、固体酸化物燃料電池１に戻され得る。固体酸化物燃料電池によって放出された気体の再利用は、ライン２０で示される。
【０１５１】
再利用されない固体酸化物燃料電池１からの出力の一部は、さらなる処理に晒され得る排気装置に向けられる。例えば、固体酸化物燃料電池から逃げたアンモニアは、燃焼後ステップにおいて排気装置内で燃焼され得、又は、アンモニアは、触媒的に酸化され得る。さらに、固体酸化物燃料電池１によって放出された気体の熱は、順に、固体酸化物燃料電池１及び／又はシステムの他の部品、例えば、第１及び第２の燃料発生器２、３を加熱するために使用され得る。
【０１５２】
固体酸化物燃料電池１によって放出された気体はまた、窒素酸化物の排出を抑制又は低減させるために選択的触媒還元（ＳＣＲ）において使用され得る。
【０１５３】
固体酸化物燃料電池１によって放出された気体はまた、過剰の量の窒素酸化物を含む場合、例えば選択的触媒還元を用いて洗浄され得る。
【０１５４】
以上に記載されるように、第１の実施形態において、第１及び第２の燃料発生器２、３は、固体酸化物燃料電池１の冷却中に燃料を発生するように使用され得る。例えば、停止時に１ｋＷｈのエネルギーが固体酸化物燃料電池内に熱として貯蔵される場合、図１のシステムは、例えば、このエネルギーの５０％を回収し得、すなわち、このシステムは、０．５ｋＷｈのエネルギーを回収し得る。これは、尿素等のアンモニア前駆体を、次いでシステムに貯蔵されるアンモニアに変換するために燃料発生器２、３の両方を用いることによって達成される。貯蔵されたアンモニアは、次いで、立ち上がり後に固体酸化物燃料電池１内で直接使用され得ることができ、アンモニア燃料を生成するために立ち上がり後のシステムへの入力として必要とされる量のエネルギーを低減させる。
【０１５５】
流出物のエネルギー量（３ｋＷｈ）は、変換プロセスに関連している初期の尿素溶液のエネルギー量（２．５ｋＷｈ）より高い。
燃料発生器２、３によって、尿素溶液の変換からもたらされるアンモニア流出物は、次の立ち上がりのために利用される３．０ｋＷｈのエネルギー量を提供し、約０．５ｋＷｈの電気エネルギーが節約される（アンモニア流出物を生成するために必要とされるエネルギーから）。
【０１５６】
好ましくは、図５によって示されるシステムは、停止中に固体酸化物燃料電池１から失われたエネルギーの少なくとも２０％、より好ましくは約４０％を回収することができる。
【０１５７】
代替的な実施形態において、単一の燃料発生器のみ（すなわち、第２の燃料発生器）が、冷却プロセス中に燃料を生成するために使用され得る。しかしながら、第２の燃料発生器の単独での使用は、２つの燃料発生器の各々が、それらの動作温度範囲に対して最適化される２つの燃料発生器を有するシステムと比較して最適化されたより大きな動作範囲温度を要求する。従って、第２の燃料発生器を単独で有するこのようなシステムは、より効率的ではなく、２つの燃料発生器を有するシステムと比較して、低下した量の発生したアンモニア流出物を生成する。
【符号の説明】
【０１５８】
１  燃料電池
２  燃料発生器
３  燃料発生器
４  容器
５  アンモニア流出物バッファタンク
６  燃料電池
７  水素発生器
８  アンモニア及び水素バッファタンク
９  アンモニア−水素燃焼器
１０ａ  熱交換器
１０ｂ  熱交換器
１０ｃ  熱交換器
１０ｄ  熱交換器
１０ｅ  熱交換器
１０ｆ  熱交換器
１０ｇ  熱交換器
１０ｈ  熱交換器
１０ｉ  熱交換器
１０ｊ  熱交換器
１１  排気システム
２０  ライン
【図１】
2018530856.tif 000003
【図２】
2018530856.tif 000004
【図３】
2018530856.tif 000005
【図４】
2018530856.tif 000006
【図５】
2018530856.tif 000007
【国際調査報告】
2018530856.tif 000008
2018530856.tif 000009