特許 7434158 燃料電池及び可逆熱力学を結合する、エネルギーを生産するアセンブリ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-09

(45)【発行日】2024-02-20

(54)【発明の名称】燃料電池及び可逆熱力学を結合する、エネルギーを生産するアセンブリ

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04007 20160101AFI20240213BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20240213BHJP

   H01M 8/04111 20160101ALI20240213BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20240213BHJP

   H01M 8/00 20160101ALN20240213BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04007

H01M8/04 J

H01M8/04111

H01M8/04 N

H01M8/10 101

H01M8/00 Z

【請求項の数】 24

(21)【出願番号】P 2020536794

(86)(22)【出願日】2018-12-27

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-05-27

(86)【国際出願番号】 FR2018000274

(87)【国際公開番号】W WO2019129940

(87)【国際公開日】2019-07-04

【審査請求日】2021-12-17

(31)【優先権主張番号】1763265

(32)【優先日】2017-12-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】502124444

【氏名又は名称】コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ

(73)【特許権者】

【識別番号】516284345

【氏名又は名称】サフラン・パワー・ユニッツ

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】ニコラ・トーヴェロン

(72)【発明者】

【氏名】バンジャマン・ボワイヨ

(72)【発明者】

【氏名】ジャン－バティスト・ジョリー

【審査官】加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－１４７３１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２８３１７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００８－５０６８１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４－８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池（１）、及び第１の熱伝達流体を受けるように構成され、少なくとも部分的に前記燃料電池（１）の周りに配列された流体電池回路（２）を含む、エネルギーを生産するアセンブリであって、前記アセンブリは、交互に、
－前記燃料電池（１）によって生産された熱エネルギーを退避させ、前記第１の熱伝達流体を通じてそれを機械エネルギーに変換し、
－前記第１の熱伝達流体を通じて熱エネルギーを前記燃料電池（１）に入力する、
ように構成された可逆熱力学システムを含み、
前記熱力学システムは、
－第２の熱伝達流体を受けるように構成された流体熱力学回路（１８）と、
－前記流体熱力学回路（１８）と前記流体電池回路（２）との間で熱エネルギーを交換することが意図された第１の熱交換器（３）と、
－前記流体熱力学回路（１８）と外部源との間で熱エネルギーを交換することが意図された第２の熱交換器（４）と、
を含む、ことを特徴とする、前記アセンブリ。

【請求項2】

前記可逆熱力学システムは、前記第１の熱交換器（３）に接続された、熱エネルギーを生産する少なくとも１つのモジュールを含む、請求項１に記載のアセンブリ。

【請求項3】

熱エネルギーを生産するモジュールは、熱エネルギーを生産する前記モジュールによって生産された前記熱エネルギーを前記流体電池回路（２）に交換するように、前記流体熱力学回路（１８）を通じて前記第１の熱交換器（３）に流体的に及び／または熱的に接続される、請求項１または２に記載のアセンブリ。

【請求項4】

前記可逆熱力学システムは、有機ランキンサイクルモジュール及び熱ポンプを関連付けるシステムを含む、請求項１～３のいずれか１項に記載のアセンブリ。

【請求項5】

前記熱ポンプは、前記第１の熱交換器（３）及び前記第２の熱交換器（４）と直列して配列された圧縮機（５）及び膨張器（６）を含む、請求項４に記載のアセンブリ。

【請求項6】

前記有機ランキンサイクルモジュールは、前記流体熱力学回路（１８）内で前記第２の熱伝達流体を循環させることが意図されたタービン（８）及び少なくとも１つのポンプ（７）を含み、前記タービン（８）及び前記ポンプ（７）は、前記第１の熱交換器（３）及び前記第２の熱交換器（４）と直列して配列される、請求項４または５に記載のアセンブリ。

【請求項7】

前記圧縮機（５）は、前記タービン（８）と並列して配列され、前記ポンプ（７）は、前記膨張器（６）と並列して配列される、請求項５を引用する場合の請求項６に記載のアセンブリ。

【請求項8】

前記流体熱力学回路（１８）は、前記第１の熱交換器（３）、前記膨張器（６）、前記第２の熱交換器（４）、前記圧縮機（５）、及び再度前記第１の熱交換器（３）に流体的に接続する熱ポンプ回路を含む、請求項７に記載のアセンブリ。

【請求項9】

前記流体熱力学回路（１８）は、前記第１の熱交換器（３）、前記タービン（８）、前記第２の熱交換器（４）、前記ポンプ（７）及び再度前記第１の熱交換器（３）に連続して流体的に接続する有機ランキンサイクルモジュール回路を含む、請求項７または８に記載のアセンブリ。

【請求項10】

交互に、前記タービン（８）または前記圧縮機（５）、及び前記ポンプ（７）または前記膨張器（６）に前記第２の熱伝達流体を切り替える部材を含む、請求項７～９のいずれか１項に記載のアセンブリ。

【請求項11】

前記可逆熱力学システムは、交互に、熱エネルギーから機械エネルギーを生産し、機械エネルギーから熱エネルギーを生産するように構成された可逆スターリングエンジン（１５）を含む、請求項１に記載のアセンブリ。

【請求項12】

前記流体熱力学回路（１８）は、第１のループ（１８ａ）及び第２のループ（１８ｂ）を含み、前記第１のループ（１８ａ）は、前記第１の熱交換器（３）と前記スターリングエンジン（１５）の温熱区域（２０）との間の前記第２の熱伝達流体の循環を可能にするように構成され、前記第２のループ（１８ｂ）は、前記第２の熱交換器（４）と前記スターリングエンジン（１５）の冷熱区域（２１）との間の前記第２の熱伝達流体の循環を可能にするように構成される、請求項１１に記載のアセンブリ。

【請求項13】

前記第１のループ（１８ａ）の前記第２の熱伝達流体と前記スターリングエンジン（１５）の前記温熱区域（２０）の周りで循環するように構成された中間熱伝達流体との間で熱エネルギーを交換するように構成された、前記第１のループ上に配列された第３の熱交換器（１６）、及び前記第２のループ（１８ｂ）の前記第２の熱伝達流体と前記スターリングエンジン（１５）の前記冷熱区域（２１）の周りで循環するように構成された前記中間熱伝達流体との間で熱エネルギーを交換するように構成された、前記第２のループ（１８ｂ）上に配列された第４の熱交換器（１７）を含む、請求項１２に記載のアセンブリ。

【請求項14】

前記燃料電池（１）は、高温プロトン交換膜タイプの燃料電池である、請求項１～１３のいずれか１項に記載のアセンブリ。

【請求項15】

前記燃料電池（１）によって生産された電子の流れから電気を生産するように構成された、前記燃料電池（１）と関連付けられたエネルギーを生産するモジュールを含む、請求項１～１４のいずれか１項に記載のアセンブリ。

【請求項16】

請求項１～１５のいずれか１項に記載のエネルギーを生産するアセンブリによってエネルギーを生産する方法であって、以下のステップ、
－前記電池への熱エネルギーの入力によって前記燃料電池（１）を起動するステップと、
－電流及び熱エネルギーを生成する前記燃料電池（１）を機能させるステップと、
を含み、
前記起動するステップの間、可逆熱力学システムは、第１の熱伝達流体を通じて熱エネルギーを前記燃料電池（１）に入力し、前記可逆熱力学システムを機能させる前記ステップは、前記第１の熱伝達流体を通じて前記燃料電池（１）によって生産された前記熱エネルギーを退避させ、第２の熱伝達流体を通じてそれを機械エネルギーに変換する、
ことを特徴とする、前記方法。

【請求項17】

前記起動するステップの間、第１の熱交換器（３）は、流体熱力学回路（１８）内で循環する第２の熱伝達流体から流体電池回路（２）内で循環する第１の熱伝達流体に熱エネルギーを伝導する、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記起動するステップの間、第２の熱交換器（４）は、外部源から前記流体熱力学回路（１８）内で循環する前記第２の熱伝達流体に熱エネルギーを伝導する、請求項１６または１７に記載の方法。

【請求項19】

前記熱力学システムは、前記燃料電池（１）を機能させる前記ステップの間に機能し、生産された熱を電気エネルギーに変換するように構成された有機ランキンサイクルモジュールを含み、前記有機ランキンサイクルモジュールは、前記燃料電池（１）を起動する前記ステップの間に機能し、熱エネルギーを前記燃料電池（１）に供給するように構成された熱ポンプと関連付けられる、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

前記燃料電池（１）を起動する前記ステップの間、前記第２の熱伝達流体は、前記第２の熱伝達流体を循環させる圧縮機（５）を連続して通過することによって、前記流体熱力学回路（１８）内で循環し、次いで、前記第２の熱伝達流体は、前記第１の熱交換器（３）に移り、前記第２の熱伝達流体は、凝縮され、前記燃料電池（１）の起動のために熱エネルギーを前記第１の熱伝達流体に伝達し、次いで、膨張器（６）を通過し、前記第２の熱伝達流体は、圧力降下を受け、次いで、前記第２の熱交換器（４）を通過し、前記第２の熱伝達流体は、温熱源から熱エネルギーを回復させることによって蒸発される、請求項１９に記載の方法。

【請求項21】

前記燃料電池（１）を機能させる前記ステップの間、前記第２の熱伝達流体は、連続して、前記第１の熱交換器（３）を通過し、それは、前記流体電池回路（２）内で循環する前記第１の熱伝達流体から熱エネルギーを回復させることによって気化され、次いで、タービン（８）を通過し、前記第２の熱伝達流体は、拡大し、機械エネルギーの生産を可能にし、次いで、前記第２の熱交換器（４）を通過し、前記第２の熱伝達流体は、冷熱源と接触して凝縮され、次いで、ポンプ（７）を通過し、前記第２の熱伝達流体は、前記第１の熱交換器（３）に送られるよう加圧されることによって前記流体熱力学回路（１８）内で循環する、請求項１９または２０に記載の方法。

【請求項22】

前記熱力学システムは、前記燃料電池（１）を起動する前記ステップの間に熱エネルギーを前記燃料電池（１）に供給するように構成され、前記燃料電池（１）を機能させる前記ステップの間に生産された熱を機械エネルギーに変換するように構成された可逆スターリングエンジン（１５）を含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項23】

前記起動するステップの間、前記第２の熱伝達流体は、外部源（９）との交換によって前記第２の熱交換器（４）のレベルにおいて熱エネルギーを回復させ、次いで、前記スターリングエンジン（１５）内で循環する作動流体との交換によって、熱エネルギーを前記スターリングエンジン（１５）の冷熱区域（２１）に伝導し、ホイール（２６）によって作動されるピストン（２５）は、前記スターリングエンジン（１５）の温熱区域（２０）内で前記作動流体を移動させ、前記第２の熱伝達流体は、前記第１の熱交換器（３）内で前記第１の熱伝達流体を伝達する、前記スターリングエンジン（１５）の前記温熱区域（２０）の前記作動流体との交換によって熱エネルギーを回復させる、請求項２２に記載の方法。

【請求項24】

機能させる前記ステップの間、前記第２の熱伝達流体は、前記第１の熱伝達流体との交換によって前記第１の熱交換器（３）のレベルにおいて熱エネルギーを回復させ、次いで、機械エネルギーを生産し、前記冷熱区域（２１）内で前記作動流体を移動させる前記スターリングエンジンのピストン（２５）を作動させるように、前記スターリングエンジン（１５）内で循環する作動流体との交換によって、熱エネルギーを前記スターリングエンジン（１５）の温熱区域（２０）に伝導し、前記第２の熱伝達流体は、前記スターリングエンジン（１５）の前記冷熱区域（２１）の前記作動流体との交換によって熱エネルギーを回復させる、請求項２３に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池及び可逆熱力学システムを結合する、エネルギーを生産するアセンブリに関する。

【0002】

本発明は、特にプロトン交換膜タイプの燃料電池の機能の改善に関する。

【0003】

本発明は、プロトン交換膜燃料電池が使用される全ての分野における用途を有する。

【0004】

本発明は、好ましくは輸送の分野に適用される。

【背景技術】

【0005】

最先端技術
ポリマ電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）の名称の下でもプロトン交換膜燃料電池が既知である。ＰＥＭＦＣは、低圧力及び温度の範囲において機能することを可能にする。それらは、特定のポリマ電解質膜を含む。

【0006】

ＰＥＭＦＣは、二水素（Ｈ２）及び二酸素（Ｏ２）の電気化学反応の間に放出される化学エネルギーを電気エネルギーに変換し、熱エネルギーを生産するそれらの２つの物質の熱化学反応の「反対」を処理する。水素噴流は、電極膜のアセンブリの陽極側に向かって方向付けられる。この例では、それは、陽子及び電子に触媒的に分割される。この半電池における酸化反応は、
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ^－
によって説明される。

【0007】

同時に、酸素の流れは、ＭＥＡの陰極側から方向付けられる。二酸素分子は、水分子を形成するために、ポリマ電解質膜を通じて横断する陽子及び外回路を通じて到達する電子と反応する。半電池におけるこの還元反応は、電解で記述される。
４Ｈ^＋＋４ｅ^－＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ

【0008】

このタイプの燃料電池は、水素が供給され、酸素は、電気出力と同一の規模の熱出力を供給する。これは、高温、有利には、１２０度～１８０度で燃料電池が機能するときに全て当てはまる。

【0009】

したがって、熱の除去が、過熱、したがって、膜の悪化を回避するための主要な課題である。この熱を退避させるいくつかの方式が存在し、熱伝達液体の循環が、専用熱回路を有するバイポーラ板の内部、または例えば、燃料電池の２～３個の電池ごとに挿入された専用板内で保証されること、水が電池の入口において空気により注入され、及び熱が水の部分蒸発によって除去されること、各々のバイポーラ板がフィンを備えること、及び熱が外気の強制循環によって退避されること、である。したがって、全てのそれらの選択肢では、冷却回路は、その循環機、任意選択で（液体のケース）外側への熱交換器を有する液体及び気体ループを含む。

【0010】

その上、特に、それらのシステムによって生産されたエネルギーのコストを低下させることを目的に、燃料電池の電力効率を増大させるために、この熱エネルギーを増強することが研究されている。上記説明された熱交換器のレベルにおいて周囲空気との温度差が低いときはなおさらであり、よって、相対的に大きな交換器を使用することが必要である。

【0011】

特に、燃料電池によって生産された熱エネルギーを増強するために有機ランキンサイクルを実装するシステムを組み合わせる、非特許文献１の記事においてそれが説明されている。

【0012】

しかしながら、このタイプの開発は、様々な用途、特に輸送において使用可能な燃料電池を作成するために十分ではない。

【0013】

したがって、特にＰＥＭＦＣタイプの燃料電池のエネルギー効率をも改善する解決策を提案する必要性が存在する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【文献】Won-Yong Lee等、Energy 113(2016)1062-1070、「Power optimization of a combined power system consisting of a high-temperature polymer electrolyte fuel cell and an organic Rankine cycle system」

【発明の概要】

【0015】

この目的を達成するために、実施形態に従って、本発明は、燃料電池、有利なことに少なくとも部分的に燃料電池の周りに配列された、第１の熱伝達流体を受けるように構成された流体電池回路を含む、エネルギーを生産するアセンブリを提供し、アセンブリは、代替的に、燃料電池によって生産された熱エネルギーを退避させ、第１の熱伝達流体を通じてそれを機械エネルギーに変換し、第１の熱伝達流体を通じて熱エネルギーを燃料電池に入力するように構成された可逆熱力学システムを含み、熱力学システムは、第２の熱伝達流体を受けるように構成された流体熱力学回路、及び流体熱力学回路と流体燃料回路との間で熱エネルギーを交換することが意図された第１の交換器、及び流体熱力学回路と外部源との間で熱エネルギーを交換することが意図された第２の交換器を含む。

【0016】

本発明は、電池によって生産された熱エネルギーの強化及び燃料電池の起動の間に必要なエネルギー消費の両方の強化を改善することによって、燃料電池からの全体的なエネルギー効率を著しく改善する利点を有する。

【0017】

確かに、特に高温において機能するＰＥＭＦＣタイプの燃料電池に関する一連の調査は、それらの電池の起動に関する。確かに、電池が電気を生産し始めることができるように、膜が特に高温のＰＥＭＦＣに対して１２０度程度の特定の温度に到達する必要がある。したがって、膜がこの温度に到達するように、熱エネルギー入力によって膜を加熱する必要がある。この熱は、例えば、膜を加熱するよう、電池の堆積に配置された電気抵抗によって入力される。この解決策は、エネルギーを大いに消費する。

【0018】

したがって、本発明は、機械エネルギー、更には電気エネルギーを生産するよう熱エネルギーを退避させると共に、エネルギーを低く消費することによって、両方の機能方向において機能するように構成された熱力学システムのおかげで熱エネルギー入力を可能にする。

【0019】

実施形態によれば、可逆熱力学システム、有利なことにその１つのみが、代替的に、機械エネルギー生産、例えば、有機ランキンサイクル、及び熱エネルギー生産、例えば、機械蒸気圧縮サイクルにおいて機能するように構成された熱力学サイクルを有するモジュールを含む。

【0020】

実施形態によれば、可逆熱力学システムは、代替的に、機械エネルギー生産及び熱エネルギー生産において機能するように構成されたスターリングエンジンを含む。

【0021】

本発明の別の態様は、上記説明されたような生産アセンブリによってエネルギーを生産する方法であって、以下の連続するステップ、
－電池に入力された熱エネルギーによって燃料電池を起動するステップと、
－電流及び熱エネルギーを生成する燃料電池を機能させるステップと、
を含み、
起動するステップの間、可逆熱力学システムは、第１の熱伝達流体を通じて熱エネルギーを燃料電池に入力し、機能させるステップの間、当該可逆熱力学システムは、第１の熱伝達流体を通じて燃料電池によって生産された熱エネルギーを退避させ、第２の熱伝達流体を通じてそれを機械エネルギーに変換する、ことを特徴とする方法に関する。

【0022】

本発明の目的、目標と共に特徴及び利点が、以下の支持図面によって示される後者の実施形態の詳細な説明からより良好に現われるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】電池を起動するステップの間の、本発明の実施形態によるエネルギーを生産するアセンブリの概略図である。

【図2】電池を機能させるステップの間の、本発明の第１の実施形態によるエネルギーを生産するアセンブリの概略図である。

【図3】電池を機能させるステップの間の、本発明の第１の実施形態の変形によるエネルギーを生産するアセンブリの概略図である。

【図4】電池を機能させるステップの間の、本発明の第１の実施形態の変形によるエネルギーを生産するアセンブリの概略図である。

【図5】電池を起動するステップの間の、本発明の第２の実施形態によるエネルギーを生産するアセンブリの概略図である。

【図6】電池を機能させるステップの間の、本発明の第２の実施形態によるエネルギーを生産するアセンブリの概略図である。

【図7】電池を機能させるステップの間の、本発明の第２の実施形態の変形によるエネルギーを生産するアセンブリの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

図面は実施例として与えられ、発明を限定するものではない。それらは、発明の理解を促進することが意図された原則の概略図を構成し、実用的な用途と必ずしも同一縮尺ではない。点線は、非活性流体接続を示し、実線は、活性流体接続を示す。

【0025】

発明の実施形態の詳細なレビューを開始する前に、以下は、任意選択で関連してまた代替的に使用することができる、述べられた任意選択の特徴である。
○有利なことに、流体電池回路は、閉回路である。
○有利なことに、流体熱力学回路は、閉回路である。閉回路によって、これは、回路がループを形成し、第１の熱伝達流体及び第２の熱伝達流体は、有利なことに、継続的に循環する。
○有利なことに、可逆熱力学システムは、第１の熱交換器に接続された、好ましくは、電気が供給される、熱エネルギーを生産する少なくとも１つのモジュールを含む。
○有利なことに、熱エネルギーを生産するモジュールは、熱エネルギーを生産するモジュールによって生産された熱エネルギーを流体電池回路と交換するように、流体熱力学回路を通じて第１の交換器に流体的に及び／または熱的に接続される。

【0026】

実現性によれば、熱エネルギーを生産するモジュールは、熱ポンプ、より詳細には、少なくとも１つの圧縮機を含み、圧縮機は、第１の交換器に流体的に接続される。

【0027】

実現性によれば、熱エネルギーを生産するモジュールは、スターリングエンジンを含み、スターリングエンジンは、第１の交換器に熱的に接続される。

【0028】

有利なことに、可逆熱力学システムは、機械エネルギーを生産するモジュールを含む。

【0029】

実現性によれば、機械エネルギーを生産するモジュールは、有機ランキンサイクルモジュールを含む。

【0030】

実現性によれば、機械エネルギーを生産するモジュールは、スターリングエンジンを含む。
○有利なことに、可逆熱力学システム、有利なことにその１つのみが、蒸気機械圧縮サイクルの形式において有機ランキンサイクルモジュール及び熱ポンプを関連付ける。
○有利なことに、熱ポンプは、流体熱力学回路上で第１の交換器及び第２の交換器と直列して配列された圧縮機及び膨張器を含む。
○有利なことに、有機ランキンサイクルは、流体熱力学回路上で第１の交換器及び第２の交換器と直列して配列された、流体回路内で第２の熱伝達流体を循環させることが意図された、タービン及びポンプを含む。
○有利なことに、圧縮機は、流体熱力学回路上でタービンに並列して配列される。
○有利なことに、ポンプは、流体熱力学回路の膨張器に並列して配列される。
○有利なことに、流体熱力学回路は、第１の交換器、膨張器、第２の交換器、圧縮機、及び再度第１の交換器内で連続して第２の熱伝達流体が循環するように、第１の交換器、膨張器、第２の交換器、圧縮機、及び再度第１の交換器に連続して流体的に接続する熱ポンプ回路を含む。
○有利なことに、流体熱力学回路は、第１の交換器、タービン、第２の交換器、ポンプ、及び再度第１の交換器内で連続して第２の熱伝達流体が循環するように、第１の交換器、タービン、第２の交換器、ポンプ、及び再度第１の交換器に連続して流体的に接続する有機ランキンサイクルモジュールを含む。
○有利なことに、アセンブリは、タービンまたは圧縮機、及びポンプまたは膨張器に交互に第２の熱伝達流体を切り替える部材を含む。
○有利なことに、タービンは、交流機または圧縮機またはポンプに接続される。
○有利なことに、圧縮機は、電力供給機に接続される。
○有利なことに、可逆熱力学システムは、可逆スターリングエンジンを含む。
○有利なことに、スターリングエンジンは、熱ポンプなど、代替的に、熱エネルギーから機械エネルギーを生産し、機械エネルギーから熱エネルギーを生産するように構成される。
○有利なことに、流体熱力学回路は、第１のループ及び第２のループを含み、第１のループは、第１の交換器とスターリングエンジンの温熱区域との間の第２の熱伝達流体の循環を可能にするように構成されたポンプを含み、第２のループは、第２の交換器とスターリングエンジンの冷熱区域との間の第２の熱伝達流体の循環を可能にするように構成されたポンプを含む。
○有利なことに、アセンブリは、第１のループの第２の熱伝達流体とスターリングエンジンの温熱区域の周りで循環するように構成された中間熱伝達流体との間で熱エネルギーを交換するように構成された第１のループ上に配列された第３の熱交換器、及び第２のループの第２の熱伝達流体とスターリングエンジンの冷熱区域の周りで循環するように構成された熱伝達流体との間で熱エネルギーを交換するように構成された第２のループ上に配列された第４の熱交換器を含む。
○有利なことに、スターリングエンジンの少なくとも１つのピストン、好ましくは２つのピストンに接続されたホイールを含む。
○有利なことに、燃料電池は、高温プロトン交換膜タイプまたはＨＴ－ＰＥＭＦＣタイプの燃料電池である。
○有利なことに、アセンブリは、燃料電池によって生産された電子の流れから電気を生産するように構成された燃料電池と関連付けられた、エネルギーを生産するモジュールを含む。

【0031】

統合の制約に適合した高出力／ボリューム比率をもたらし、蓄熱器の存在のおかげで効率性を改善すると共に、温熱源及び冷熱源の明らかな分離をもたらすので、アルファタイプエンジンを使用することが好ましい。このサイクルに対する作用する流体は、空気または窒素である。
●有利なことに、起動するステップの間、第１の熱交換器は、流体熱力学回路内で循環する第２の熱伝達流体及び流体電池回路内で循環する第１の熱伝達流体から熱エネルギーを伝導する。
●有利なことに、起動するステップの間、第２の熱交換器は、外部源から流体熱力学回路内で循環する第２の熱伝達流体に熱エネルギーを伝導する。
●有利なことに、熱力学システムは、燃料電池を機能させるステップの間に機能し、生産された熱を電気エネルギーに変換するように構成された有機ランキンサイクルモジュールを含み、有機ランキンサイクルモジュールは、燃料電池を起動するステップの間に機能する熱ポンプと関連付けられ、燃料電池に熱エネルギーを供給するように構成される。
●有利なことに、燃料電池を起動するステップの間、第２の熱伝達流体は、第２の熱伝達流体を循環させる圧縮機を連続して通過することによって流体熱力学回路内で循環し、次いで、第２の熱伝達流体は、第１の交換器に移り、第２の熱伝達流体は、凝縮され、燃料電池を起動するために第１の熱伝達流体に熱エネルギーを伝達し、次いで、膨張器を通過し、第２の熱伝達流体は、圧力降下を受け、次いで、第２の交換器を通過し、第２の熱伝達流体は、温熱源から熱エネルギーを回復させることによって蒸発される。
●有利なことに、燃料電池を機能させるステップの間、第２の熱伝達流体は、連続して、第１の交換器（３）を通過し、それは、流体電池回路内で循環する第１の熱伝達流体から熱エネルギーを回復させることによって気化され、次いで、タービンを通過し、第２の熱伝達流体は、拡大し、機械エネルギーの生産を可能にし、次いで、第２の交換器を通過し、第２の熱伝達流体は、冷熱源と接触して凝縮され、次いで、ポンプを通過することによって流体熱力学回路内で循環し、第２の熱伝達流体は、第１の交換器に送られるよう加圧される。
●有利なことに、流体熱力学回路は、ポンプと第１の交換器の入口において第２の熱伝達流体の温度を上昇させるように構成された第１の交換器との間に配列された蓄熱器を含む。
●有利なことに、熱力学システムは、燃料電池を起動するステップの間に燃料電池に熱エネルギーを供給するように構成され、燃料電池を機能させるステップの間に生産された熱を機械エネルギーに変換するように構成された可逆スターリングエンジンを含む。
●有利なことに、起動するステップの間、第２の熱伝達流体は、外部源との交換によって第２の交換器のレベルにおいて熱エネルギーを回復させ、次いで、スターリングエンジン内で循環する作動流体との交換によってスターリングエンジンの冷熱区域に熱エネルギーを伝導し、ホイールによって作動されるピストンは、温熱区域内で作動流体を移動させ、第２の熱伝達流体は、第１の交換器内で第１の熱伝達流体に伝達する、スターリングエンジンの温熱区域の作動流体との交換によって熱エネルギーを回復させる。
●有利なことに、機能させるステップの間、第２の熱伝達流体は、第１の熱伝達流体との交換によって第１の交換器のレベルにおいて熱エネルギーを回復させ、次いで、機械エネルギーを生産し、冷熱区域内で作動流体を移動させるエンジンのピストンを作動させるように、スターリングエンジン内で循環する作動流体との交換によってスターリングエンジンの温熱区域に熱エネルギーを伝導し、第２の熱伝達流体は、スターリングエンジンの冷熱区域の作動流体との交換によって熱エネルギーを回復させる。

【0032】

要素またはステップについての不定冠詞「ａ」または「ａｎ」の使用は、反対に言及されることを除き、複数のそのような要素またはステップを排除しない。

【0033】

本発明の範囲では、用語「～の上に(on)」、「載る(surmounts)」、「網羅する(covers)」、もしくは「下部の(underlying)」、またはそれらの派生は、「接触して(in contact with)」を必ずしも意味しないことが明記される。

【0034】

本説明では、表現「ＡがＢに流体的に接続される」は、ＡとＢとの間の部材が存在しないことを必ずしも意味しない。

【0035】

「直接交換(direct exchange)」または「直接結合(direct coupling)」によって、これは、熱エネルギー交換がいずれかの中間回路または構成要素なしに直接行われることを意味する。

【0036】

本発明は、燃料電池１を含むエネルギーを生産するアセンブリに関する。

【0037】

好ましくは、燃料電池１は、高温プロトン交換膜燃料電池であり、すなわち、それは、膜が９０度～１２０度の程度の温度に到達するときに機能し始め、それは、起動、遷移機能である。機能している間、温度はむしろ、１２０度～１８０度にある。

【0038】

燃料電池１は、電気エネルギーを生産することが意図される。電池１は、電池に直接接続され、電気エネルギーを生産するよう電池１によって生産された電子の流れを回復させることが意図された電気１０を生産するモジュールを含む。燃料電池はまた、熱エネルギーを生産する。本発明によるアセンブリは、第１の熱伝達流体を受けるように構成された流体電池回路２を含む。流体電池回路２は、閉回路であり、すなわち、回路は、ループを形成するように閉じられ、第１の熱伝達流体は有利なことに、循環する。第１の熱伝達流体は、ペンタンなど、すなわち、例えば、二酸化炭素ＣＯ_２もしくはＮＨ_３の炭化水素タイプの熱伝達流体であり、またはハイドロフルオロカーボンタイプもしくはその同等物（ＨＦＣ、ＨＦＯ、もしくはＨＦＥ）の熱伝達流体である。流体電池回路２は有利なことに、電池１と少なくとも部分的に接触し、より詳細には、電池１の温熱部分と接触して配列される。例えば、第１の熱伝達流体が循環する交換板は、電池１の堆積に配列される。

【0039】

本発明によれば、アセンブリは、可逆熱力学システムを含む。この可逆熱力学システムはまた、可逆エネルギー変換システムとも称されてもよい。

【0040】

「可逆」によって、これは、熱力学システムが代替的に、熱エネルギーから機械エネルギーを生産し、または熱エネルギーを生産する際に機能することを意味する。したがって、同一の熱力学システムは、一実施形態により、及び他の実施形態において機能する。本発明に従った熱力学システムは、燃料電池１によって生産された熱エネルギーを退避させ、それを機械エネルギーに、更に任意選択で、電気エネルギーに変換し、代替的に、燃料電池１に熱エネルギーを供給するように構成される。よって、本発明によるアセンブリは、代替的に、２つの機能、すなわち、１つ次いでその他を有する。

【0041】

アセンブリは有利なことに、この目的のため、第２の熱伝達流体を受けるように構成された流体熱力学回路１８を含む。流体熱力学回路１８は、独立し、すなわち、それは流体電池回路２に流体的に接続されない。流体熱力学回路１８は、閉回路であり、すなわち、ループを形成するように閉じられ、第２の熱伝達流体が循環する。第２の熱伝達流体は、第１の熱伝達流体とは同一または異なってもよい。第２の熱伝達流体は、ペンタンなど、すなわち、二酸化炭素ＣＯ_２もしくはＮＨ_３の炭化水素タイプの熱伝達流体であり、またはハイドロフルオロカーボンタイプもしくはその同等物（ＨＦＣ、ＨＦＯ、もしくはＨＦＥ）の熱伝達流体である。

【0042】

熱力学システムは、流体熱力学回路１８と流体電池回路２との間で熱エネルギーを交換することが意図された第１の熱動または熱交換器３、及び流体熱力学回路１８と外部源９との間で熱エネルギーを交換することが意図された第２の熱動または熱交換器４を含む。

【0043】

第１の熱交換器３は、第１の熱伝達流体の入口２０１及び第１の熱伝達流体の出口２０２を含む。入口２０１及び出口２０２は、第１の交換器３への流体電池回路の流体接続を保証する。第１の熱交換器３は更に、第２の熱伝達流体の入口１０３及び第２の熱伝達流体の出口１０４を含む。入口１０３及び出口１０４は、第１の交換器３への流体熱力学回路の流体接続を保証する。

【0044】

有利なことに、熱力学システムは、燃料電池の熱エネルギーから機械エネルギーを生産するモジュール及び燃料電池に供給されることが意図された熱エネルギーを生産するモジュールを含む。

【0045】

熱エネルギーを生産するモジュールは有利なことに、電気が供給される。熱エネルギーを生産するモジュールは有利なことに、第１の熱交換器に流体的に接続される。

【0046】

熱エネルギーを生産するモジュールは、第１の実施形態によれば、熱ポンプを含む。熱ポンプは、電気が供給され、その第２の熱伝達流体の流体出口１１０が第１の熱交換器３の流体入口２０３に流体的に接続された圧縮機５を含む。

【0047】

熱エネルギーを生産するモジュールは、第２の実施形態によれば、スターリングエンジンを含む。スターリングエンジンは、電気が供給され、第１の交換器３、より詳細には、第１の交換器３の入口３０３、４０３に熱的に接続される。

【0048】

機械エネルギーを生産するモジュールは、第１の実施形態によれば、有機ランキンサイクルモジュールを含み、第２の実施形態によれば、スターリングエンジンを含む。

【0049】

第１の実施形態によれば、熱力学システムは、熱ポンプ可逆有機ランキンサイクルモジュール（ＯＲＣ）を含む。以下で、ランキンモジュールとも称される有機ランキンサイクルモジュールは特に、低温度または中温度を有する熱源から機械力を生産することを可能にする。ランキンモジュールは、熱エネルギーを機械エネルギーに変換することによって、燃料電池１によって生産された熱エネルギーを増強することを可能にする。熱ポンプは、冷熱源などの低温媒体から温熱源などの高温媒体に熱エネルギー、すなわち、カロリーを伝達することを可能にする。したがって、熱エネルギーの自発伝達の「自然な方向」を反転することを可能にする。熱ポンプは、熱エネルギーを燃料電池１に供給することを可能にする。本発明によれば、熱力学システムは、代替的に、ランキンモジュールの実施形態及び熱ポンプの実施形態において機能する。

【0050】

有利なことに、本発明による熱ポンプは、１５度～１２０度を含む温度範囲において機能する。それは、最先端の電気加熱に関して実質的な電気の節約を可能にする。熱ポンプの性能（ＣＯＰ）の係数は有利なことに、３～４の次数である。

【0051】

熱ポンプは、第１の熱交換器３及び第２の熱交換器４と直列して配列された膨張器６及び圧縮機５を含む。有利なことに、それらの部材は、特に、第２の熱伝達流体が好ましくは、第１の熱交換器３、膨張器６、第２の熱交換器４、及び圧縮機５、次いで、再度第１の熱交換器３を連続して通過するように、流体熱力学回路１８、より詳細には、熱ポンプ回路と称される回路上に配列される。

【0052】

ランキンモジュールは、第１の熱交換器３及び第２の熱交換器４と直列して配列されたタービン８及びポンプ７を含む。有利なことに、それらの部材は、特に、第２の熱伝達流体が好ましくは、第１の熱交換器３、タービン８、第２の熱交換器４、及びポンプ７、次いで、再度第１の熱交換器３を連続して通過するように、流体熱力学回路１８、より詳細には、ランキンモジュール回路と称される回路上に配列される。

【0053】

ランキンモジュール及び熱ポンプは、ハイブリダイズされる。これは、「ハイブリダイズ」によって、部材が本発明により熱力学システムを形成するよう関連付けられることを意味する。ランキンモジュール及び熱ポンプは、同一の流体熱力学回路、第１の熱交換器３、及び第２の熱交換器４を少なくとも部分的に共有し、確かに、熱ポンプ回路は、ランキンモジュール回路と少なくとも部分的に共通する。熱ポンプ及びランキンモジュールは、代替的に、関連付けられ、機能している。ランキンモジュールの結合及び熱ポンプの結合は、構造的に延長し、それらの機能は、代替的であり、同時ではない。

【0054】

より詳細には、膨張器６及びポンプ７は、流体回路１８上で並列して配列され、すなわち、膨張器６は、有利なことに第１の交換器３及び第２の交換器４を接続する流体熱力学回路１８の分岐１３ｂ上に配列され、ポンプ７は、有利なことに第１の交換器３及び第２の交換器４を接続する流体熱力学回路１８の分岐１３ａ上に配列される。２つの分岐１３ａ、１３ｂは並列し、２つの分岐１３ａ、１３ｂのいずれかにおける第２の熱伝達流体の循環は有利なことに、生産アセンブリを機能させる実施形態及び熱力学システムを機能させる実施形態によれば、例えば、２つの分岐１３ａ、１３ｂのいずれかにおける第２の熱伝達流体を方向付ける３方向弁１９を含む切り替え部材によって制御される。

【0055】

同様に、タービン８及び圧縮機５は、流体回路上に並列して配列され、すなわち、タービン８は、有利なことに第１の交換器３及び第２の交換器４を接続する流体熱力学回路１８の分岐１４ａ上に配列され、圧縮機５は、有利なことに第１の交換器３及び第２の交換器４を接続する流体熱力学回路１８の分岐１４ｂ上に配列される。２つの分岐１４ａ、１４ｂは並列し、２つの分岐１４ａ、１４ｂのいずれかにおける第２の熱伝達流体の循環は有利なことに、生産アセンブリを機能させる実施形態及び熱力学システムを機能させる実施形態によれば、例えば、２つの分岐１４ａ、１４ｂのいずれかにおける第２の熱伝達流体を方向付ける３方向弁１９を含む切り替え部材によって制御される。

【0056】

ポンプ７は、流体熱力学回路１８内で第２の熱伝達流体を循環させるように構成されたポンプである。タービン８は、回転シャフトを回転させることによって、熱エネルギーを機械エネルギーに変換する。異なる実現性によれば、タービンは、電気を生産するために交流機に接続され、または機械エネルギーを直接使用するために圧縮機もしくはポンプに接続される。

【0057】

有利な実現性によれば、熱力学システムは、エンジンもしくは交流機に結合され、またはエンジンもしくは交流機と関連付けられた可逆スクロール圧縮機を含む。この実現性は、熱力学システムにおける部材の数を制限することによって、投資、質量、及び容量における増大を可能にする。

【0058】

有利なことに、アセンブリの熱交換器のレベルにおける熱エネルギーを交換する２つの流体の流れは、交換を最適化するように反対方向に行われる。

【0059】

図１及び図２に関連して、第１の実施形態による、エネルギーを生産するアセンブリの構造及び機能が以下で説明される。

【0060】

アセンブリは、第１の熱伝達流体を含む流体電池回路２を含む。流体電池回路は、代替的に、電池１から第１の交換器３に熱エネルギーを退避させ、または電池１から熱エネルギーを供給して、第１の交換器３のレベルにおいて回復するように、電池１及び第１の交換器３を連続して通過する。

【0061】

圧縮機５は有利なことに、輸送用途において特に組み込まれた、例えば、電気エネルギーまたは電気ネットワークを貯蔵したバッテリなどの電力供給機１２によって供給される。

【0062】

膨張器６は、それを通過する第２の熱伝達流体を拡大させることを可能にするタイプの弁の膨張器である。

【0063】

図１は、本発明によるアセンブリを示し、熱力学システムは、熱ポンプと関連付けられたランキンモジュールを含む。図示されるケースでは、熱力学システムは、熱ポンプモードにおいて機能し、すなわち、第２の熱伝達流体は、熱ポンプの異なる要素を通過することによって、熱ポンプ回路と称される流体熱力学回路１８内で循環する。

【0064】

流体電池回路２は、第１の交換器３において第１の熱伝達流体の入口１０１に流体的に接続された電池１の外側の第１の熱伝達流体の出口１１３を含む。第１の熱伝達流体は、第１の熱交換器３を通過し、電池１において第１の熱伝達流体の入口１１４に流体的に接続された出口１０２を通じて退出する。

【0065】

熱ポンプ回路と称される流体熱力学流体１８が以下で説明され、第１の熱交換器３の第２の熱伝達流体の出口１０４は、膨張器６の入口１０５に流体的に接続される。第２の熱伝達流体は、第２の交換器４の入口１０７に流体的に接続された出口１０６を通じて膨張器６から退出する。第２の熱伝達流体は、圧縮機５の入口１０９に流体的に接続された出口１０８によって第２の交換器４から退出する。第２の熱伝達流体は、第１の熱動交換器３の入口１０３に流体的に接続された出口１１０を通じて圧縮機５から退出する。有利なことに、異なる部材の間の流体接続は、分岐１３ａまたは１３ｂ及び１４ａまたは１４ｂへの第２の熱伝達流体を切り替えることを可能にする３方向タイプの弁１９などの切り替え部材を含む。第２の熱交換器４のレベルにおいて、入口１１１を通じて第２の交換器４を貫通する外部源９を循環させ、出口１１２を通じて第２の交換器４から退出する。この外部源９は、冷熱源、例えば、航空機のキャビンからの空気、または加熱された水の源、または任意選択で、外気である。

【0066】

機能している間、図１の本発明によるアセンブリは、場合によっては、電池１の起動を可能にする。

【0067】

第２の熱伝達は、圧縮機５に貫通する。圧縮機５は、有利なことに、気体状態、及びそこに侵入するよりも熱い状態で、圧縮機５の出口１１０を通じて退出する第２の熱伝達流体を循環させる。よって、第２の熱伝達流体は、有利なことに弁１９によって切り替えられた後、凝縮器として機能する第１の交換器３を通過する。凝縮器３へのその通過の間、第２の熱伝達流体は、その熱エネルギー、すなわち、カロリーを伝達し、凝縮される。第２の熱伝達流体は、状態を変化させる。第１の交換器３では、第１の熱伝達流体は、電池１にそれらを供給するように、循環し、第２の熱伝達流体からカロリーを回復させる。有利なことに、流体接続、すなわち、凝縮器３と膨張器６との間に位置したパイプは、液体ラインと称され、第２の熱伝達流体は、液体状態にある。出口１０４において、第２の熱伝達流体は、弁１９などの切り替え手段によって、膨張器６を含む分岐１３ｂに切り替えられる。膨張器６は、液体状態にある第２の熱伝達流体において供給される。膨張器６は、第２の熱伝達流体の圧力降下を誘導する制約を生じさせる。膨張器６の出口１０６において、第２の熱伝達流体は、入口１０５におけるよりも低い圧力と共に低い温度を有する。第２の熱伝達流体は概して、二相混合にある。第２の熱伝達流体は、弁１９などの切り替え部材を通じて第２の交換器４に向かって切り替えられ、次いで、蒸発器として機能する当該第２の交換器４を通過する。液体状態にある第２の熱伝達流体は、第２の交換器４内で循環する外部源９から来るカロリーを吸収することによって、第２の交換器４において蒸発する。よって、気体状態にある第２の熱伝達流体は、圧縮機５の入口１０９を通じて吸引され、サイクルが再開する。

【0068】

図２は、本発明によるアセンブリを示し、熱力学システムは、熱ポンプと関連付けられたランキンモジュールを含む。図示されるケースでは、熱力学システムは、ランキンモジュールの実施形態において機能し、すなわち、第２の熱伝達流体は、ランキンモジュールの異なる部材部材を通過することによって、流体回路内で循環する。

【0069】

流体電池回路２は、第１の交換器３において第１の熱伝達流体の入口２０１に流体的に接続された電池１の外側の第１の熱伝達流体の出口２１３を含む。第１の熱伝達流体は、第１の熱交換器３を通過し、電池１において第１の熱伝達流体の入口１１４に流体的に接続された出口２０２を通じて退出する。

【0070】

ランキンモジュール回路と称される流体熱力学回路１８が以下で説明され、第１の熱交換器３の第２の熱伝達流体の出口２０４は、タービン８の入口２０５に流体的に接続される。第２の熱伝達流体は、第２の交換器４の入口２０７に流体的に接続された出口２０６を通じてタービン８から退出する。第２の熱伝達流体は、ポンプ７の入口２０９に流体的に接続された出口２０８を通じて第２の交換器４から退出する。第２の熱伝達流体は、第１の熱交換器３の入口２０３に流体的に接続された出口２１０を通じてポンプ７から退出する。有利なことに、異なる部材の間の流体接続は、分岐１３ａまたは１３ｂ及び１４ａまたは１４ｂへの第２の熱伝達流体を切り替えることを可能にする３方向弁タイプの弁１９などの切り替え部材を含む。第２の熱交換器４のレベルにおいて、入口２１１を通じて第２の交換器４に貫通する外部源９を循環させ、出口２１２を通じて第２の交換器４から退出する。外部源９は、上記説明された外部源と同一であってもよい。

【0071】

機能している間、図２の本発明によるアセンブリは、場合によっては、電池１によって生産された熱エネルギーの退避、及び特に機械エネルギーにおけるその増強を可能にする。

【0072】

第２の熱伝達流体は、蒸発器として機能する第１の交換器３を通過する。蒸発器３へのその通過の間、第２の熱伝達流体は、熱エネルギー、すなわち、カロリーを回復させ、蒸発される。第２の熱伝達流体は、状態を変化させる。第１の交換器３では、第１の熱伝達流体は、電池１からそれらを退避させるように、循環し、第２の熱伝達流体にカロリーを伝導する。第２の熱伝達流体は、弁１９などの切り替え手段を通じて、タービン８を含む分岐１４ａに切り替えられる。タービン８は、気体状態にある第２の熱伝達流体が供給される。拡大機とも称されるタービン８は、特に交流機１１によって、電気エネルギーに変換される機械エネルギーを生成する回転シャフトを駆動することによって、高圧力から低圧力に第２の熱伝達流体を拡大することを可能にする。タービンの出口２０６において、第２の熱伝達流体は、入口２０５におけるよりも低い圧力と共に低い温度を有する。第２の熱伝達流体は、弁１９などの切り替え部材を通じて第２の交換器４に切り替えられ、次いで、凝縮器として機能する当該第２の交換器４を通過する。気体状態にある第２の熱伝達流体は、第２の交換器４内で循環する外部源９にカロリーを解放することによって、第２の交換器４において凝縮される。液体状態にある第２の熱伝達流体は、出口２０８を通じて退出し、弁１９などの切り替え手段を通じてポンプ７を含む分岐１３ａに切り替えられ、流体熱力学回路内で第２の熱伝達流体を循環させることを可能にする。熱伝達流体は、第１の熱交換器３に貫通するようポンプから退出し、サイクルが再開する。

【0073】

図３及び図４は、第１の実施形態の変形を示し、本発明によるアセンブリは、燃料電池によって生産された熱エネルギーを貯蔵する手段、または熱エネルギーの直接使用を可能にする熱エネルギーを使用するモジュールを相補的に含む。実施例として、図３に示される貯蔵手段は、加熱され、熱エネルギーを貯蔵する水バラスト２２を含み、相変化材料などの他のタイプの蓄熱も使用されてもよい。図３に示されるものなど、貯蔵手段は、タービン８及び圧縮機５と並列して流体熱力学回路１８上に配列される。貯蔵手段は、並列分岐１４ｃ上に配列される。好ましくは、分岐１４ｃは、３方向弁１９などの切り替え部材によって流体熱力学回路に接続される。

【0074】

同様に、図４は、例えば、加熱炉または加熱装置２３のような熱エネルギーを使用するモジュールの配列を示す。

【0075】

第２の実施形態によれば、熱力学システムは、可逆スターリングエンジンを含む。スターリングエンジンは、代替的に、燃料電池１によって生産された熱エネルギーから機械エネルギーを生産し、機械エネルギーから燃料電池に熱エネルギーを供給するように構成される。

【0076】

第１の実施形態にあるように、アセンブリは、電池１、より詳細には、電池１の膜に接触して配列された流体電池回路２を含む。

【0077】

同様に、熱力学システムは、流体熱力学回路１８、第１の交換器３、及び第２の交換器４を含む。第１の交換器３は、流体熱力学回路１２と流体電池回路２との間の熱エネルギーの交換を可能にする。同様に、第２の交換器４は、特に上記説明されたものなど、流体熱力学回路１８と外部源９との間の熱エネルギーの交換を可能にする。

【0078】

スターリングエンジン１５は、作動流体及び少なくとも１つのピストン２５を受けるチャンバを含む。

【0079】

異なるタイプのスターリングエンジンが存在する。本発明によれば、統合の制約に適合した出力／ボリューム比率を増大させ、蓄熱器の存在のおかげで効率性を改善すると共に、温熱源及び冷熱源の明らかな分離をもたらすので、アルファタイプエンジンを使用することが好ましい。

【0080】

図５～図７に表されるものなどのスターリングエンジン１５は、アルファタイプエンジンに対応する。スターリングエンジンは、第１のピストン２５ａを受ける第１のチャンバ内で形成された温熱区域２０、及び第２のピストン２５ａを受ける第２のチャンバ内で形成された冷熱区域２１を含む。作動流体は、熱ポンプの実施形態、すなわち、熱エネルギーの生産においてピストン２５ａ、２５ｂによって、または機械エネルギーの生産の間にピストン２５ａ及び２５ｂを作動する作動流体の容積における変形によってのいずれかで、それらの２つの区域の間で移動する。ピストン２５ａ及び２５ｂは、電気を生産するようホイール２６に接続され、任意選択で交流機１１に接続され、またはホイールを作動するよう電力供給機１２に接続される。

【0081】

好ましくは、流体熱力学回路１８は、第１のループ１８ａ及び第２のループ１８ｂを含む。有利なことに、起動するステップの間、好ましくは、熱エネルギーの機械エネルギーへの変換を可能にする機能させるステップの間も、第１のループ１８ａ及び第２のループ１８ｂは、流体的に接続されない。第１のループ１８ａ及び第２のループ１８ｂは、独立した流体回路を形成する。好ましくは、２つのループ１８ａ及び１８ｂ内で循環する熱伝達流体が理想的である。

【0082】

本発明によれば、流体熱力学回路１８は、スターリングエンジン１５と熱エネルギーを交換する。より詳細には、第１のループ１８ａは、スターリングエンジン１５の温熱区域２０と熱エネルギーを交換し、第２のループ１８ｂは、スターリングエンジン１５の冷熱区域２１と熱エネルギーを交換する。

【0083】

第１のループ１８ａは、第１の交換器３を含み、第２のループ１８ｂは、第２の交換器４を含む。

【0084】

第１のループ１８ａの第２の熱伝達流体と温熱区域２０との間の熱動交換は、温熱区域２０の周りの第２の熱伝達流体の循環によって直接行われてもよい。同様に、第２のループ１８ｂの第２の熱伝達流体と冷熱区域２１との間の熱動交換は、冷熱区域２１の周りの第２の熱伝達流体の循環によって直接行われてもよい。

【0085】

有利なことに、特に図５～図７に示される別の実現性によれば、熱力学システムは、第３の熱交換器１６及び第４の熱交換器１７を含む。よって、第１のループ１８ａの第２の熱伝達流体と温熱区域２０との間の熱交換は、第３の熱交換器によって行われる。熱伝達流体は、温熱区域２０の周りで循環し、次いで、第３の交換器１６によって第１のループ１８ａの第２の熱伝達流体と交換する。同様に、第２のループ１８ｂの第２の熱伝達流体と冷熱区域２１との間の熱動交換は、第４の熱交換器１７によって行われる。熱伝達流体は、冷熱区域２１の周りで循環し、次いで、第４の熱交換器１７によって第２のループ１８ｂの第２の熱伝達流体と交換する。

【0086】

第１のループ１８ａは、第１の交換器３及び第３の交換器１６を含み、有利なことに、流体熱力学回路１８の第１のループ１８ａ内で第２の熱伝達流体を循環させるように構成されたポンプ７を含む。第３の交換器１６は、流体熱力学回路、より詳細には第１のループ１８ａとスターリングエンジン１５、より詳細にはエンジンの温熱区域２０との間で熱エネルギーを交換するように構成される。

【0087】

第２のループ１８ｂは、第２の交換器４及び第４の交換器１７を含み、有利なことに、流体熱力学回路内で第２の熱伝達流体を循環させるように構成されたポンプ７を含む。第４の交換器１７は、流体熱力学回路、より詳細には第２のループ１８ｂと、スターリングエンジン１５、より詳細にはエンジンの冷熱区域２１との間で熱エネルギーを交換するように構成される。

【0088】

図５は、燃料電池を起動するステップを示し、熱エネルギーは、熱力学システムによって燃料電池に供給される。本発明によるアセンブリの配列及びその機能は、図５に関して以下で説明される。

【0089】

起動する燃料電池は、熱エネルギーが供給される必要がある。アセンブリは、流体電池回路１を含む。流体電池回路１は、第１の交換器３において第１の熱伝達流体の入口３０１に流体的に接続された第１の熱伝達流体の出口３２５を通じて電池１から退出する第１の熱伝達流体を含む。第１の熱伝達流体は、第１の交換器３を通過し、電池１において第１の熱伝達流体の入口３２６に流体的に接続された出口３０３を通じて退出する。

【0090】

流体熱力学回路は、第１の交換器３における第２の熱伝達流体３０３の入口を含む第１のループ１８ａを含む。第２の熱伝達流体は、第１の交換器３を通過し、ポンプ７において第２の熱伝達流体の入口３０５に流体的に接続された出口３０４を通じて退出し、ポンプ７は、その出口３０６から、その入口３０７を通じて流体的に接続された第３の交換器１６に第２の熱伝達流体を送る。第２の熱伝達流体１６は、第３の熱交換器１６を通過する。第２の熱伝達流体は、有利なことに第１の熱交換器３の入口３０３に流体的に接続された出口３０８を通じて第３の熱交換器１６から退出する。

【0091】

第２のループ１８ｂは、第２の熱交換器４を含み、第２の熱伝達流体は、入口３１９を通じて貫通する。第２の熱伝達流体は、第２の交換器４を通過し、有利なことに第４の交換器１７の入口３１５に流体的に接続された出口３２０を通じて退出する。第２の熱伝達流体は、第４の交換器１７を通過し、ポンプ７の入口３１７に流体的に接続された出口３１６を通じて退出し、ポンプ７は、第２のループ１８ｂ内で第２の熱伝達流体を循環させる。第２の熱伝達流体は、第２の交換器４の入口３１９に流体的に接続された出口３１８を通じてポンプから退出する。

【0092】

スターリングエンジン１５の温熱区域２０及び冷熱区域２１と交換することが意図された第３の熱交換器の流体回路及び第４の熱交換器１７の流体回路が以下で説明される。

【0093】

第３の交換器１６の回路は、第３の交換器１６の作動流体の入口３１０に流体的に接続されたスターリングエンジンの周りの熱伝達流体の出口３０９を含む。作動流体は、第３の交換器１６を通過し、温熱区域２０の周りで熱伝達流体の入口３２７に流体的に接続された出口３１１を通じて退出する。熱伝達流体は、温熱区域２０の周りで循環し、出口３０９を通じて退出する。

【0094】

第４の交換器１７の回路は、第４の交換器１７の作動流体の入口３１２に流体的に接続されたスターリングエンジンの周りの熱伝達流体の出口３２８を含む。作動流体は、第４の交換器１７を通過し、冷熱区域２１の周りで熱伝達流体の入口３１４に流体的に接続された出口３１３を通じて退出する。熱伝達流体は、冷熱区域２１の周りで循環し、出口３１２を通じて退出する。

【0095】

有利なことに、スターリングエンジンは、機械エネルギーをスターリングエンジン１５に供給することが意図された電力供給機１２に接続される。このケースでは、スターリングエンジンは、熱ポンプとして機能する。

【0096】

熱は、それを燃料電池に供給するよう外部源９から回復する。

【0097】

第２の交換器４のレベルにおいて、第２の熱伝達流体は、外部源９から熱エネルギーを回復させる。加熱された第２の熱伝達流体は、エンジンの冷熱区域２１の周りの第２の熱伝達流体の循環によって、または第４の交換器１７を通じてのいずれかで、その熱エネルギーをスターリングエンジンの作動流体に伝導し、第２の熱伝達流体及び中間熱伝達流体が循環する。第２の熱伝達流体は次いで、ポンプ７に貫通し、第２の交換器４に再度送られることになる。冷熱区域２１内で加熱された作動流体は拡張する。ピストン２５ｂを移動させる機械エネルギーは、ピストン２５ｂを作動するホイール２６を回転させるように構成された電力供給機１２によって供給される。ピストン２５は、温熱区域２０に移動し、よって、温熱作動流体を温熱区域に移動させる。温熱区域２０のレベルにおいて、作動流体は、第２の熱伝達流体の温熱区域２０との接触によって直接、または第３の熱交換器１６によってのいずれかで、その熱エネルギーを第１のループ１８ａの第２の熱伝達流体に伝導し、中間熱伝達流体及び第２の熱伝達流体が循環する。作動流体が冷却される。ピストン２５の作動を可能にする電気エネルギーは、それを冷熱区域２１に移動させ、よって、冷却された作動流体を再度加熱されることになる冷熱区域２１に移動させる。作動流体によって加熱された第２の熱伝達流体は、その熱エネルギーを第１の熱伝達流体に伝達し、よって、熱エネルギーを電池１に供給するように、第１の熱交換器２に貫通する。

【0098】

図６は、燃料電池を機能させるステップを示し、熱エネルギーは、燃料電池によって生産され、熱力学システムによって退避及び増強される。本発明によるアセンブリの配列及びその機能は、図６に関して以下で説明される。

【0099】

燃料電池１は、電池１によって生産された電子の流れから電気エネルギー１０を生産するモジュールを含む。燃料電池は、熱エネルギーを生産する。アセンブリは、流体電池回路１を含む。流体電池回路１は、第１の交換器３において第１の熱伝達流体の入口４０１に流体的に接続された第１の熱伝達流体の出口４２５を通じて電池１から退出する第１の熱伝達流体を含む。第１の熱伝達流体は、第１の交換器３を通過し、電池１において第１の熱伝達流体の入口４２６に流体的に接続された出口４０３を通じて退出する。

【0100】

流体熱力学回路は、第１の交換器３において第２の熱伝達流体４０３の入口を含む第１のループ１８ａを含む。第２の熱伝達流体は、第１の交換器３を通過し、それが通過する第３の熱交換器１６において第２の熱伝達流体の入口４０５に流体的に接続された出口４０４を通じて退出する。第２の熱伝達流体は、有利なことにポンプ７の入口４０７に流体的に接続された出口４０６を通じて第３の熱交換器１６から退出し、ポンプ７は、その出口４０８から、その入口４０３を通じて流体的に接続された第１の交換器３に第２の熱伝達流体を再度送る。

【0101】

第２のループ１８ｂは、第２の熱交換器４を含み、第２の熱伝達流体は、入口４１７を通じて貫通する。第２の熱伝達流体は、第２の交換器４を通過し、有利なことにポンプ４２０の入口４１９に流体的に接続された出口４１８を通じて退出し、ポンプ４２０は、第２のループ１８ｂ内で第２の熱伝達流体を循環させる。第２の熱伝達流体は、第４の交換器１７の入口４１５に流体的に接続された出口４２０を通じてポンプから退出する。第２の熱伝達流体は、第４の交換器１７を通過し、第２の交換器４の入口４１７に流体的に接続された出口４１６を通じて退出する。

【0102】

第３の交換器１６の回路は、第３の交換器１６の熱伝達流体の入口３１２に流体的に接続されたスターリングエンジンの周りの熱伝達流体の出口４２７を含み、温熱区域２０の周りで熱伝達流体の入口４１４に流体的に接続された出口４１３を通じて退出する。熱伝達流体は、温熱区域２０の周りで循環し、出口４１７を通じて退出する。

【0103】

第４の交換器１７の回路は、第４の交換器１７の熱伝達流体の入口４１０に流体的に接続されたスターリングエンジンの周りの熱伝達流体の出口４０９を含む。熱伝達流体は、第４の交換器１７を通過し、冷熱区域２１の周りで熱伝達流体の入口４２８に流体的に接続された出口４１１を通じて退出する。熱伝達流体は、冷熱区域２１の周りで循環し、出口４０９を通じて退出する。

【0104】

有利なことに、スターリングエンジンは、交流機１１もしくは圧縮機に接続され、または特にスターリングエンジンから電気エネルギーへの機械エネルギーの変換を可能にする。

【0105】

機能している間、図６に関して上記説明されたアセンブリは、スターリングエンジンのレベルにおいて、機械エネルギー、更には電気にそれを変換するよう電池から熱エネルギーを退避させることを可能にする。

【0106】

燃料電池によって生産された熱は、電池のレベルにおいて第１の熱伝達流体から回復し、流体電池回路内で循環する。第１の熱伝達流体は、それが第１の熱交換器３を通過するとき、その熱エネルギー、すなわち、そのカロリーを第２の熱伝達流体に伝達する。第１の熱交換器３を通過する第２の熱伝達流体は加熱される。それは、入口においてあったときよりも高い温度において第１の交換器３から退出する。よって、第２の熱伝達流体は、第３の熱交換器１６に貫通し、第２の熱伝達流体からスターリングエンジン１５の作動流体に熱エネルギーを伝達することを可能にする。実現性によれば、第３の熱交換器は、スターリングエンジン１５の温熱区域２０と外部接触した中間熱伝達流体の循環を含む。

【0107】

示される実現性によれば、第２の熱伝達流体は、その熱エネルギーを第３の交換器１６内で循環する中間熱伝達流体に伝導し、中間熱伝達流体は、スターリングエンジンの温熱区域２０に貫通する前に温度において増大する。第２の熱伝達流体は、第３の冷却交換器から退出し、第１の交換器３の入口４０３に再度送られる前にポンプ７を通じて循環する。

【0108】

有利なことに、熱力学システムは、スターリングエンジン１５の温熱区域２０内の作動流体と冷熱区域２１内の作動流体との間の温度差を増大させることが意図された第２のループ１８ｂを含む。ループ１８ｂでは、第２の熱伝達流体は、外部源９をも通過する第２の交換器４を通過する。このケースでは、外部源９は、冷熱であり、すなわち、それは、第２の交換器４内で循環する第２の流体の温度よりも低い温度を有する。外部源９は、上記説明されたようなものである。第２の交換器４を通過する第２の熱伝達流体は、好ましくは第４の交換器１７のレベルまたはスターリングエンジンの冷熱区域２１のレベルにおいて、スターリングエンジン１５の作動流体と接触して侵入する前に冷却され、第２の熱伝達流体は、冷熱区域２１の周りで循環する。第２の熱伝達流体は、冷熱区域２１内で作動流体の温度を低下させるように、この区域２１の作動流体から熱エネルギーを回復させる。第２の熱伝達流体は、その入口温度よりも高い温度において、第４の交換器から、または冷熱区域２１と接触して退出する。第２の熱伝達流体は次いで、第２の熱伝達流体を第２の交換器４に再度戻すことが意図されたポンプ７を通過する。スターリングエンジンのレベルにおいて、温熱区域２０のレベルにおいて第２の熱伝達流体によって加熱された作動流体は拡張し、その容積を増大させ、冷熱区域２１の方向においてピストン２５を押し出す。よって冷熱区域２１に位置する作動流体は、第２のループ１８ｂの第２の熱伝達流体との交換によって冷却される。作動流体の冷却は、その収縮につながり、よって、ピストン２５は、温熱区域２０に押し戻される、などである。ピストン２５の並進運動は、有利なことに交流機１１に接続されたホイール２６に伝導される。

【0109】

第２の実施形態の代替的な実施形態によれば、流体熱力学回路は、流体回路からスターリングエンジンを退出させ、接続分岐上で、水バラストタイプ２２の熱エネルギーを貯蔵する手段、または加熱炉もしくは加熱装置２３として熱エネルギーを直接使用するモジュールを提供するように、特に図７に示されたケースでは、第１のループ１８ａ及び第２のループ１８ｂを流体的に接続することを可能にする接続分岐３２３、３２４、４２３、４２４を含む。

【0110】

１ 燃料電池
２ 流体電池回路
３ 第１の交換器（熱交換器）
４ 第２の交換器（熱交換器）
５ 圧縮機
６ 減速機
７ ポンプ
８ タービン
９ 源
１０ 電気を生産するモジュール
１１ 交流機
１２ 電力供給機
１３ａ 並列分岐
１３ｂ 並列分岐
１４ａ 並列分岐
１４ｂ 並列分岐
１５ スターリングエンジン
１６ 第３の交換器（熱交換器）
１７ 第４の交換器（熱交換器）
１８ 流体熱力学回路
１８ａ 第１のループ
１８ｂ 第２のループ
１９ ３方向弁
２０ 温熱区域
２１ 冷熱区域
２２ 水バラスト
２３ 加熱炉または加熱装置
２４ 作動流体回路
２５ａ ピストン
２５ｂ ピストン
２６ ホイール
２７ 温熱区域及び冷熱区域との間の連絡
１０１ 第１の交換器内の第１の熱伝達流体入口
１０２ 第１の交換器の第１の熱伝達流体出口
１０３ 第１の交換器内の第２の熱伝達流体入口
１０４ 第１の交換器の第２の熱伝達流体出口
１０５ 減速機内の第２の熱伝達流体入口
１０６ 減速機の第２の熱伝達流体出口
１０７ 第２の交換器内の第２の熱伝達流体入口
１０８ 第２の交換器の第２の熱伝達出口
１０９ 圧縮機内の第２の熱伝達入口
１１０ 圧縮機の第２の熱伝達流体出口
１１１ 第２の交換器内の源入口
１１２ 第２の交換器の源出口
１１３ 電池の第１の熱伝達流体の出口
１１４ 電池内の第１の熱伝達流体の入口
２０１ 第１の交換器内の第１の熱伝達流体入口
２０２ 第１の交換器の第１の熱伝達流体出口
２０３ 第１の交換器内の第２の熱伝達流体入口
２０４ 第１の交換器の第２の熱伝達流体出口
２０５ タービン内の第２の熱伝達流体入口
２０６ タービン内の第２の熱伝達流体出口
２０７ 第２の交換器内の第２の熱伝達流体入口
２０８ 第２の交換器の第２の熱伝達流体出口
２０９ ポンプ内の第２の熱伝達流体入口
２１０ ポンプの第２の熱伝達流体出口
２１１ 第２の交換器内の源入口
２１２ 第２の交換器の源出口
２１３ 電池の第１の熱伝達流体の出口
２１４ 電池内の第１の熱伝達流体の入口
３０１ 第１の交換器内の第１の熱伝達流体入口
３０２ 第１の交換器の第１の熱伝達流体出口
３０３ 第１の交換器内の第２の熱伝達流体入口
３０４ 第１の交換器の第２の熱伝達流体出口
３０５ ポンプ内の第２の熱伝達流体入口
３０６ ポンプの第２の熱伝達流体出口
３０７ 第３の交換器内の第２の熱伝達流体入口
３０８ 第３の交換器の第２の熱伝達流体出口
３０９ スターリングエンジンの作動流体出口
３１０ 第３の交換器内の作動流体入口
３１１ 第３の交換器の作動流体出口
３１２ 第４の交換器内の作動流体入口
３１３ 第４の交換器の作動流体出口
３１４ スターリングエンジンの作動流体入口
３１５ 第４の交換器内の第２の熱伝達流体入口
３１６ 第４の交換器の第２の熱伝達流体出口
３１７ ポンプ内の第２の熱伝達流体入口
３１８ ポンプの第２の熱伝達流体出口
３１９ 第２の交換器内の第２の熱伝達流体入口
３２０ 第２の交換器の第２の熱伝達流体出口
３２１ 第２の交換器内の源入口
３２２ 第２の交換器の源出口
３２３ 接続分岐
３２４ 接続分岐
３２５ 電池の第１の熱伝達流体の出口
３２６ 電池内の第１の熱伝達流体の入口
３２７ 温熱区域の周りの中間熱伝達流体入口
３２８ 冷熱区域の中間熱伝達流体出口
４０１ 第１の交換器内の第１の熱伝達流体入口
４０２ 第１の交換器の第１の熱伝達流体出口
４０３ 第１の交換器内の第２の熱伝達流体入口
４０４ 第１の交換器の第２の熱伝達流体出口
４０５ 第３の交換器内の第２の熱伝達流体入口
４０６ 第３の交換器の第２の熱伝達流体出口
４０７ ポンプ内の第２の熱伝達流体入口
４０８ ポンプの第２の熱伝達流体出口
４０９ スターリングエンジンの作動流体出口
４１０ 第４の交換器内の作動流体入口
４１１ 第４の交換器の作動流体出口
４１２ 第３の交換器内の作動流体入口
４１３ 第３の交換器の作動流体出口
４１４ スターリングエンジンの作動流体入口
４１５ 第４の交換器内の第２の熱伝達流体入口
４１６ 第４の交換器の第２の熱伝達流体出口
４１７ 第２の交換器内の第２の熱伝達流体入口
４１８ 第２の交換器の第２の熱伝達流体出口
４１９ ポンプ内の第２の熱伝達流体入口
４２０ ポンプの第２の熱伝達流体出口
４２１ 第２の交換器内の源入口
４２２ 第２の交換器の源出口
４２３ 接続分岐
４２４ 接続分岐
４２５ 電池の第１の熱伝達流体の出口
４２６ 電池内の第１の熱伝達流体の入口
４２７ 温熱区域の中間熱伝達流体の出口
４２８ 冷熱区域の周りの中間熱伝達流体の入口

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】