特表 2024-537485 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-10-10

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0606 20160101AFI20241003BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20241003BHJP

   H01M 8/04007 20160101ALI20241003BHJP

   H01M 8/04111 20160101ALI20241003BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20241003BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20241003BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0606

H01M8/04701

H01M8/04007

H01M8/04111

H01M8/04 J

H01M8/10 101

【審査請求】有

【予備審査請求】有

(21)【出願番号】P 2024525292

(86)(22)【出願日】2022-10-04

(85)【翻訳文提出日】2024-05-29

(86)【国際出願番号】 EP2022077523

(87)【国際公開番号】W WO2023072532

(87)【国際公開日】2023-05-04

(31)【優先権主張番号】2115488.5

(32)【優先日】2021-10-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】591005785

【氏名又は名称】ロールス・ロイス・ピーエルシー

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＬＬＳ－ＲＯＹＣＥ ＰＵＢＬＩＣ ＬＩＭＩＴＥＤ ＣＯＭＰＡＮＹ

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100172041

【弁理士】

【氏名又は名称】小畑 統照

(72)【発明者】

【氏名】パーマー，クロエ

(72)【発明者】

【氏名】タッコーニ，ヤコポ

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA06

5H127AB04

5H127BA02

5H127BA28

5H127BA33

5H127BA46

5H127BA48

5H127BA58

5H127BB07

5H127BB12

5H127BB34

5H127BB35

5H127BB37

5H127CC07

5H127CC10

5H127DC79

(57)【要約】

燃料電池システム２００が、燃料予熱器２２７と冷却材／空気熱交換器２５３を含む冷却回路２５０を備える冷却装置を有する燃料電池スタック２０２とを備え、燃料予熱器は、燃料予熱器の入力に供給された液体水素流を加熱して気体水素流を供給するように構成される。上記システムは、気体水素を燃料電池スタックの燃料入力２１２まで搬送するように構成された搬送手段をさらに備え、搬送手段および冷却回路は、冷却材／空気熱交換器内の冷却材流体が燃料電池システムの運転中に搬送手段内の気体水素と熱接触するように構成される。予熱器は、燃料電池スタックに最終的に入る気体水素の温度が、スタックの動作条件に関係なく、気体水素がスタック内で効率的に反応することを可能にするのに十分であることを確実にする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料予熱器（２２７、３５７、４２７、５５７、６５７）、燃料電池スタック（２０２、３０２、４０２、５０２、６０２）、および前記燃料電池スタックを冷却するように構成された冷却回路（２５０、３５０、４５０、５５０、６５０）を備える燃料電池システム（２００、３００、４００、５００、６００）であって、前記燃料予熱器が、前記燃料予熱器の入力に供給された液体水素流を加熱して前記燃料予熱器の出力で気体水素流を供給するように構成され、前記燃料電池システムが、前記予熱器の前記出力からの気体水素を前記燃料電池スタックの燃料入力（２１２、３１２、４１２、５１２、６１２）まで搬送するように構成された搬送手段（２２８、３２８、４２８、５２８、６２８）をさらに備え、前記搬送手段および前記冷却回路は、前記冷却回路内の冷却材流体が前記燃料電池システムの運転中に前記搬送手段内の気体水素と熱接触するように構成される、燃料電池システム（２００、３００、４００、５００、６００）。

【請求項2】

前記冷却回路が冷却材／空気熱交換器（２５３、４５３）を備え、前記搬送手段および前記冷却材／空気熱交換器は、前記冷却材／空気熱交換器内の冷却材流体が前記燃料電池システムの運転中に前記搬送手段（２２８、４２８）内の気体水素と熱接触するように構成される、請求項１に記載の燃料電池システム（２００、４００）。

【請求項3】

前記冷却回路がランキンサイクルを実施し、前記冷却回路内の気体冷却材を凝縮するように構成された凝縮器（３５１、５５１、６５１）を含み、前記凝縮器および前記搬送手段（３２８、５２８、６２８）は、前記凝縮器内の冷却材流体が前記燃料電池システムの運転中に前記搬送手段内の気体水素と熱接触するように構成される、請求項１に記載の燃料電池システム（３００、５００、６００）。

【請求項4】

前記予熱器（３２７、５５７、６５７）が前記冷却回路内の冷却材流体を加熱するようにさらに構成される、請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記予熱器（２２７、３２７、５５７）が、前記予熱器の前記入力に供給された前記液体水素流の一部を燃焼させ、熱を発生させて前記液体水素流の残りを、気化させるか、または気化させ及び加熱するように構成される、請求項１から４の何れか１項に記載の燃料電池システム（２００、３００、５００）。

【請求項6】

前記予熱器（４２７、６５７）が、前記燃料電池スタック（４０２、６０２）から出力された水素の少なくとも一部を燃焼させ、熱を発生させて前記予熱器の前記入力に供給された前記液体水素流を、気化させるか、または気化させ及び加熱するように構成される、請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム（４００、６００）。

【請求項7】

ターボチャージャ（２１７、３１７、４１７、５１７、６１７）をさらに備え、前記ターボチャージャが、前記燃料電池システムの運転中にタービン（２２２、３２２、４２２、５２２、６２２）によって駆動されるように構成された圧縮機（２２４、３２４、４２４、５２４、６２４）を備え、前記圧縮機が、前記燃料電池スタック（２０２、３０２、４０２、５０２、６０２）の入力（２０８、３０８、４０８、５０８、６０８）に圧縮空気を供給するように構成され、前記燃料電池システムは、前記予熱器によって生成された燃焼生成物が前記タービンに供給されるように構成される、請求項１から６の何れか１項に記載の燃料電池システム（２００、３００、４００、５００、６００）。

【請求項8】

請求項１から７の何れか１項に記載の燃料電池システム（２００）と、前記燃料電池システムから電力を受け取り、前記電力を使用して推進推力を与えるように構成された電気推進機（７９０）と、を備える推進システム（７００）。

【請求項9】

請求項８に記載の推進システムを備える航空機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

水素を燃料として使用する燃料電池システムは、燃料電池システムが使用時に二酸化炭素を生成しないので、航空を含む輸送用途での使用に注目されている。水素を気体の状態で使用する前に水素を液体の状態で貯蔵することは、液体水素の体積エネルギー密度（約８．５ＭＪ／Ｌ）が気体水素の体積エネルギー密度（３×１０^７Ｐａ（３００バール）の圧力で約２．７ＭＪ／Ｌ）に比べて大きいために、特に注目されている。液体水素を気化させることに加えて、液体水素を使用する燃料電池システムもまた、液体水素を燃料電池システムの燃料電池スタックに入力する前に、得られる気体水素の温度を調整するよう要求される。気体水素を燃料電池スタックに入力する前に、スタックに関連する冷却ループ内の冷却材流体との熱交換により気体水素を加熱し、それによりスタックから廃熱を利用することが知られている（例えば、公開された韓国特許出願第２０１３００７０１６１号）。しかしながら、燃料電池スタックのいくつかのタイプは比較的低い動作温度を有する。例えば、ポリマー電解質（プロトン交換）膜（ＰＥＭ）スタックは、通常、約９０℃未満の動作温度を有する。そのような場合、特に起動時にまたはスタックが低出力電力で動作しているときに、気体水素の必要な加熱度をもたらすようにスタックから出力される廃熱が不十分なことがある。スタックに入る気体水素の温度に対してある程度の制御を行うことが望ましいこともある。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

本発明の第１の態様は、燃料予熱器、燃料電池スタック、および燃料電池スタックを冷却するように構成された冷却回路を備える燃料電池システムであって、燃料予熱器が、燃料予熱器の入力に供給された液体水素流を加熱して燃料予熱器の出力で気体水素流を供給するように構成され、燃料電池システムが、燃料予熱器の出力から気体水素を燃料スタックの燃料入力まで搬送するように構成された搬送手段をさらに備え、搬送手段および冷却回路は、冷却回路内の冷却材流体が燃料電池システムの運転中に搬送手段内の気体水素と熱接触するように構成される、燃料電池システムを提供する。本発明の燃料電池システムの運転中、冷却材流体中の熱が予熱器から燃料電池スタックまで行く途中で気体水素中に入り、したがって、燃料電池スタックを冷却するのにも、気体水素を加熱して燃料電池への入力に適した温度にするのにも役立つ。予熱器によって出力される気体水素の温度は、気体水素が燃料電池スタックに入るときに（冷却回路内の冷却材流体との熱交換の後で）気体水素の温度が、スタック内の効率的な反応を可能にするくらい十分高くなるようになされ得る。

【0004】

冷却回路は冷却材／空気熱交換器を備えることができ、搬送手段および冷却材／空気熱交換器は、冷却材／空気熱交換器内の冷却材流体が燃料電池システムの運転中に搬送手段内の気体水素と熱接触するように構成される。

【0005】

あるいは、冷却回路はランキンサイクルを実施し、冷却回路は冷却回路内の気体冷却材を凝縮するように構成された凝縮器を含み、凝縮器および搬送手段は、凝縮器内の冷却材が燃料電池システムの運転中に搬送手段内の気体水素と熱接触するように構成される。凝縮器のサイズおよび重量は、ランキンサイクルを実施する冷却回路が凝縮器を備える場合に比べて減少し、凝縮器からの熱はすべて周囲の空気で失われる。予熱器は冷却回路内の冷却材流体を加熱するように構成されていて、熱がランキンサイクルによって機械的仕事に変換される効率を高めることができる。

【0006】

予熱器は、予熱器の入力に供給された液体水素流の一部を燃焼させ、熱を発生させて液体水素流の残りを、気化させるか、または気化させ及び加熱するように構成され得る。あるいは、予熱器は、燃料電池スタックから出力された水素の少なくとも一部を燃焼させ、熱を発生させて予熱器の入力に供給された液体水素流を、気化させるか、または気化させ及び加熱するように構成され得る。

【0007】

燃料電池システムはターボチャージャを備えることができ、ターボチャージャは、燃料電池システムの運転中にタービンによって駆動されるようにかつ燃料電池スタックの入力に圧縮空気を供給するように構成された圧縮機を備え、燃料電池システムは、予熱器によって生成された燃焼生成物がタービンに供給されるように構成される。

【0008】

本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様による燃料電池システムと、燃料電池システムから電力を受け取り、電力を使用して推進推力を与えるように構成された電気推進機と、を備える推進システムを提供する。

【0009】

本発明の第３の態様は、本発明の第２の態様による推進システムを備える航空機を提供する。
本発明の実施形態は、以下で、ほんの例として添付の図面を参照して記述される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】先行技術の燃料電池システムを示す図である。

【図2】本発明の第１の燃料電池システム例を示す図である。

【図3】本発明の第２の燃料電池システム例を示す図である。

【図4】図３のシステムに含まれる冷却装置によって実行されるランキンサイクルの動作を示す図である。

【図5】本発明の第３の燃料電池システム例を示す図である。

【図6】本発明の第４の燃料電池システム例を示す図である。

【図7】本発明の第５の燃料電池システム例を示す図である。

【図8】本発明の推進システム例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図１は、先行技術の燃料電池システム１００を概略的に示す。燃料電池システム１００は、カソード側１０４およびアノード側１０６を有するポリマー電解質（プロトン交換）膜（ＰＥＭ）燃料電池スタック１０２と、ＰＥＭ燃料電池スタック１０２、クーラント／空気熱交換器１５３、および冷却回路１５０のまわりに冷却材流体をくみ上げるように構成されたポンプ１５４を含む冷却回路１５０と、を備える。燃料電池システム１００の運転中、空気および燃料がそれぞれ、ＰＥＭ燃料電池スタック１０２のカソード側１０４の入力１０８およびアノード側１０６の入力１１２に供給される。空気および水蒸気を含むカソード排気がＰＥＭ燃料電池スタック１０２のカソード出力１１０から出力され、未反応の水素はアノード出力１１４から出力される。直流出力電力が電気出力１２０に生成される。ＰＥＭ燃料電池スタック１０２は、冷却材入力１１６および冷却材出力１１８を有する。ＰＥＭ燃料電池スタック１００からの廃熱は、冷却材回路１５０内の冷却材流体（例えば水）によって除去され、冷却材／空気熱交換器１５３に回される。ＰＥＭ燃料電池スタック１０２の比較的低い動作温度（約９０℃未満）のために、熱交換器１５３はかなりの重量およびサイズを有し、システム１００を備える航空機の外部に取り付けられると航空用途でかなりの抗力を示す。

【0012】

図２を参照すると、本発明の第１の燃料電池システム例２００は、プロトン交換（ポリマー電解質）膜（ＰＥＭ）燃料電池スタック２０２と、タービン２２２によって駆動され、場合により電動機２４６によっても駆動されるように構成された圧縮機２２４を含むターボチャージャ２１７と、加湿器２２６と、燃料予熱器２２７（例えば触媒バーナ）と、熱交換器２６２と、を備える。燃料電池システム２００は、冷却回路２５０のまわりに冷却材流体（この場合は水）をくみ上げるように構成されたポンプ２５４、純水器２５５、スプリッタ２５２、および冷却材／空気熱交換器２５３を含む冷却回路２５０をさらに備える。ＰＥＭ燃料電池スタック２０２は、入力２０８および出力２１０を有するカソード側２０４と入力２１２および出力２１４を有するアノード側２０６とを有する。ＰＥＭ燃料電池スタック２０２は、冷却材入力２１６および冷却材出力２１８を有する。冷却分岐部２６０がＰＥＭ燃料電池スタック２０２と並列に構成され、熱交換器２６２を含む。

【0013】

燃料電池システム２００の運転中、空気が空気取入口２１３に入り、空気フィルタ２１５を通ってターボチャージャ２１７の圧縮機２２４に移る。圧縮機２２４から出力された圧縮空気は熱交換器２５８を通過し、それにより圧縮空気を冷却し、加湿器２２６を通過し、ＰＥＭ燃料電池スタック２０２のカソード側２０４の入力２０８に供給される。空気および水蒸気を含むカソード排気が出力２１０でカソード側２０４から出る、すなわち、カソード排気中の水蒸気が加湿器２２６によって回収され、残存カソード排気はターボチャージャ２１７のタービン２２２に送出される。燃料貯蔵所（図示せず）からの液体水素流（ＬＨ２）燃料が、燃料入力２８０でシステム２００に入力され、燃料予熱器２２７に移る。空気が空気入力２８２を経由して予熱器２２７に入力される。液体水素流の一部が予熱器２２７内で燃焼されて熱を生成し、熱は液体水素流の残りを気体水素（ＧＨ２）に変換し、ＧＨ２は、エジェクタ２３０を経由してＰＥＭ燃料電池スタック２０２のアノード側２０６の入力２１２に供給される。予熱器２２７から出力された気体水素は、冷却材／空気熱交換器２５３を通る経路上の搬送手段２２８によってエジェクタ２３０まで搬送され、その結果、搬送手段２２８内の気体水素は熱交換器２５３内の冷却材流体と熱接触する。したがって、熱は、熱交換器２５３内の冷却材流体から変換手段２２８内の気体水素へ移って、予熱器２２７からエジェクタ２３０へ移る。熱交換器２５３は、熱交換器２５３内の冷却材流体の一部の冷却が、燃料電池システム２００の運転中に予熱器２２７からの気体水素（すなわち、搬送手段３２８内の気体水素）によって与えられるため、図１の燃料電池システム１００の熱交換器１５３よりも小さくかつ軽い。予熱器２２７からの燃焼生成物（ＣＰ）が、ターボチャージャ２１７のタービン２２２に供給される。水素が出力２１０でＰＥＭ燃料電池スタック１０２のアノード側２０６から出て、エジェクタ２３０によって水トラップ２３２を経由して入力２１２へ還流される。水トラップ２３２は出力２１９を有し、アノード２０６内の水素がＰＥＭ燃料電池スタック２０２から出力２１９によってパージされ得る。

【0014】

直流電力が、ＰＥＭ燃料電池スタック２０２の電気出力２２０で、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４１およびインバータ２４２を経由して低電圧母線２４４に供給される。低電圧母線２４４は電動機２４６に電力を供給する。電力は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ２４１の電気出力２４８を経由して、電気推進機（図示せず）に供給され得る。

【0015】

予熱器２２７は、最小限の追加熱が冷却回路２５０内の冷却材流体から気体水素中へ移った場合でも、システム２００の起動中の場合であり得るときでも、またはスタック２０２の出力電力が低いときでも、搬送手段２２８に入る気体水素の温度が燃料電池スタック２０２内で十分な反応速度を達成するのに十分であるように構成される。

【0016】

図３は、本発明の第２の燃料電池システム例３００を示し、システム３００はＰＥＭ燃料電池スタック３０２を備える。システム３００は、図２の燃料電池システム２００と類似している。システム３００の各部分には、図２における対応部分に表示した参照符号から１００だけ異なる参照符号で表示されている。燃料電池システム３００は冷却回路３５０を備え、冷却回路３５０は、ＰＥＭ燃料電池３０２、加熱器３５７、発電機３５９を駆動するように構成されたタービン３５８、凝縮器３５１、純水器３５５、および冷却回路３５０のまわりに冷却材流体（この場合は水）をくみ上げるように構成されたポンプ３５４を備える。冷却分岐部３６０がＰＥＭ燃料電池スタック２０２と並列に配置され、熱交換器３６２、３６４を含む。冷却材水が液体の状態で冷却材入力３１６においてＰＥＭ燃料電池スタック３０２に入り、冷却分岐部３６０からの水と共に加熱器３５７に入力される冷却材出力３１８において蒸気、または蒸気と水を生成するために、ＰＥＭ燃料電池スタック３０２からの廃熱によって全部または一部が気化させられる。加熱器３５７は、加熱器に入力された水を気化させ、蒸気をタービン３５８に供給する。蒸気はタービン３５８を駆動し、凝縮器３５１内で凝縮される。したがって、冷却回路３５０は、ＰＥＭ燃料電池スタック３０２からの廃熱をランキンサイクルで有効仕事に変換する。

【0017】

燃料電池システム３００の運転中、空気流および液体水素流（ＬＨ２）燃料がそれぞれ、空気入力３８２および燃料入力３８０で予熱器３２７（例えば触媒バーナ）に入力される。液体水素燃料流の一部が予熱器３２７によって燃焼させられて残存流を気体水素（ＧＨ２）に変換し、ＧＨ２は、搬送手段３２８により、搬送手段３２８内の気体水素が凝縮器３５１内の冷却材流体と熱接触する経路上の熱交換器３６４およびエジェクタ３３０を経由してアノード３０６の入力３１２に変換される。凝縮器３５１のサイズおよび重量は、燃料電池システム３００が例えば航空用途により適しているように、図１の燃料電池システム１００の熱交換器１５３のものに比べて減少する。予熱器３５１からの燃焼生成物（ＣＰ）は冷却回路３５０内の加熱器３５７に移されて、ＰＥＭ燃料電池スタック３０２とタービン３５８との間の冷却回路３５０内で蒸気、または蒸気と水の加熱を行うことにより、追加の仕事がタービン３５８により、加熱器３５７がない場合に可能であるよりも大きい熱力学的効率で抽出されることが可能になる。燃焼生成物はその後、ターボチャージャ３１７のタービン３２２を経由して燃料電池システム３００から排出される。

【0018】

燃料電池システム３００は、低電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３４３、高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３４５、および低電圧母線３４４をさらに備える。

【0019】

図４は、図３の燃料電池システム３００の冷却回路３５０内の冷却材水の温度Ｔ対エントロピーＳのプロット１０を示す。冷却回路３５０は、ランキンサイクルを実行して、ＰＥＭ燃料電池スタック３０２からの廃熱をタービン３５８によって抽出される有効仕事に変換する。冷却回路３５０内の冷却材流体入力３１６にある位置および冷却回路３５０内の加熱器３５７の直前にある位置には、それぞれ図３および図４に１および２と表示されており、タービン１５８の直前にある位置およびタービン１５８の直後にある位置には、それぞれ３および４と表示されている。タービン３５８によって抽出された仕事は、プロット１０で囲まれた領域で表わされ、プロット１０は、タービン３５８を横切る冷却材流体（蒸気）の温度ＴおよびエントロピーＳの変化を表す部分１０ａを有する。加熱器３５７がない場合、プロット１０は、タービン３５８を横切る冷却材流体（蒸気）の温度ＴおよびエントロピーＳの変化を表す部分１０ｂを有する。したがって、図４の領域５は、冷却ループ３５０内に加熱器３５７が存在するためにタービン３５８によって抽出される追加の仕事量をループ３５０の１サイクルで表す。冷却材流体の液相／気相分離線は、図４に１２で示されている。定圧線は１４で示されている。

【0020】

正味仕事ｗ_ｎｅｔがランキンサイクルで抽出される熱力学的効率η_ｔｈは、

【数1】

である、ただし、Ｑ_ｉｎは、ＰＥＭ燃料電池スタック１０２によって冷却材流体に入力された熱に加熱器３５７によって冷却材流体に入力された熱を足したものであり、Ｑ_ｏｕｔは、凝縮器３５１から出力された熱である。正味仕事ｗ_ｎｅｔは、タービン３５８によって抽出された仕事とポンプ３５４によって行われた仕事との差である。ｈ_ｉが位置ｉにおけるエンタルピーであり、ｉ＝１、２、３または４である場合、熱力学的効率η_ｔｈは、

【数2】

で与えられる。

【0021】

したがって、仕事がタービン３５８によって抽出される熱力学的効率は、位置３（タービン３５８の直前）における冷却材流体のエンタルピーｈ_３が、加熱器３５７がない場合のｈ_３よりも大きいので、加熱器３５７の存在によって高められ（抽出される絶対仕事量の増大に加えて）、したがって値ｈ_３－ｈ_２は加熱器３５７によって増大される。

【0022】

図５は、本発明の第３の燃料電池システム例４００を示す。システム４００は、図２の燃料電池システム２００と類似している。システム４００の各部分には、図２における対応部分に表示した参照符号から２００だけ異なる参照符号で表示されている。燃料電池システム４００は、冷却材／空気熱交換器４５３を含む冷却回路４５０を備える。燃料電池システム４００の運転中、液体水素流（ＬＨ２）燃料が予熱器またはバーナ４２７（例えば触媒バーナ）に入力され、予熱器またはバーナ４２７は、ＰＥＭ燃料電池スタック４０２のカソード側４０４から出力された空気を使用してＰＥＭ燃料電池スタック４０２のアノード側４０６から出力された気体水素を燃焼させる。バーナ４２７によって生成された熱は液体水素流を気体水素流に変換し、気体水素流は、搬送手段４２８により、その中の気体水素が冷却回路４５０内に含まれる冷却材／空気熱交換器４５３内の冷却材流体と熱接触する経路を経由してアノード４０６の入力４１２に供給される。（液体水素を気化させることに加えて、バーナへの入力は得られる気体水素を有意に加熱することができる）。気体水素は熱交換器４５３内で冷却材流体を冷却するので、熱交換器４５３は、図１の燃料電池システム１００の熱交換器１５３に比べて小さくかつ軽くすることができる。バーナ４２６から出力された燃焼生成物（ＣＰ）は、ターボチャージャ４１７のタービン４２２に供給される。水素がアノード側４０６から連続的にパージされると、ＰＥＭ燃料電池スタック４０２の定常運転が可能になる。燃料電池システム４００は、低電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４４３、高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４４５、および低電圧母線４４４をさらに備える。

【0023】

図６は、本発明の第４の燃料電池システム例５００を示す。システム５００は、図３の燃料電池システム３００と類似している。システム５００の各部分には、図３における対応部分に表示した参照符号から２００だけ異なる参照符号で表示されている。燃料電池システム５００の運転中、液体水素流（ＬＨ２）燃料が加熱器５５７に入力され、加熱器５５７内で流れの一部が燃焼させられて冷却回路５５０内の蒸気および／または液体水を加熱し、それにより、加熱器５５７が存在しない場合に比べてタービン５５８によって抽出される有効仕事量および抽出の熱力学的効率を高める。加熱器５５７に入力された液体水素流の残りは同時に加熱されて気体水素流を生成し、気体水素流は、搬送手段５２８により、凝縮器５５１と、搬送手段５２８内の加熱器５５７からの気体水素が凝縮器５５１内の冷却材と熱接触する経路上のエジェクタ５１２と、を経由してＰＥＭ燃料電池スタック５０２のアノード側５０６に入力される。これにより、凝縮器５５１内の冷却材流体が加熱器５５７から出力された気体水素流によって冷却されるため、凝縮器５５１のサイズおよび重量を先行技術のランキン構成内の凝縮器に比べて減少させることが可能になる。加熱器５５７からの燃焼生成物は、ターボチャージャ５１７のタービン５２２に供給される。燃料電池システム５００は、低電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５４３、高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５４５、および低電圧母線５４４をさらに備える。加熱器５５７は、システムの燃料入力５８０で入力された液体水素を気化させる（場合により、得られる気体水素も加熱する）ための予熱器としても、冷却回路５５０内の冷却材流体を加熱するための手段としても機能を果たす。燃料電池スタック５０２の動作状態に応じて、スタック５０２の冷却材出力５１８でスタック５０２から出る冷却材流体は、液体の状態もしくは気体の状態（すなわち蒸気）であってもよく、または液体水と蒸気の両方を組み合わせたものであってもよい。

【0024】

図７は、図６の燃料電池システム５００と類似している、本発明の第５の燃料電子システム例６００を示す。燃料電池システム６００の各部分には、図６における対応部分に表示した参照符号から１００だけ異なる参照符号で表示されている。燃料電池システム６００の運転中、ＰＥＭ燃料電池スタック６０２のカソード側６０４からの排気がスタック出力６１０で出力され、加湿器６２６に移り、加湿器６２６は水蒸気を除去し、次いで加熱器６５７に入力される。気体水素燃料がスタック入力６１２に供給される。未反応の気体水素燃料はスタック出力６１４で出力され、水トラップ６３２を経由して加熱器６５７に入力される。ＰＥＭ燃料電池スタック６０２から出力された空気および気体水素燃料は加熱器６５７（触媒バーナでもよい）内で燃焼させられて、冷却回路６５０内の冷却材流体を加熱し、さらに燃料入力６８０からの液体水素（ＬＨ２）を気体水素に変換し、気体水素は、搬送手段６２８内の気体水素が凝縮器６５１内の冷却材流体と熱接触するように、搬送手段６２８を経由してＰＥＭ燃料電池スタック６０２のアノード側６０６にあるスタック入力６１２に移る。燃料入力６８０で入力された液体窒素を気化させることに加えて、得られる気体水素もまた加熱され得る。気体水素は凝縮器６５１内の冷却材流体を冷却するので、凝縮器６５１のサイズおよび重量を先行技術のシステム内の凝縮器のサイズおよび重量よりも小さくするとともに、図１の燃料電池システム１００内の冷却材／空気熱交換器１５３よりも小さくすることが可能になる。搬送手段６２８内の気体水素は、この気体水素がＰＥＭ燃料電池スタック６０２に入力される前に凝縮器６５１からの熱によって加熱される。燃焼生成物（ＣＰ）がターボチャージャ６１７のタービン６２２に供給される。

【0025】

冷却回路６５０内の冷却材流体は水である。冷却回路６５０は、水が加熱器６５７と凝縮器６５１との間で蒸気の状態となり、凝縮器６５１とＰＥＭ燃料電池スタック６０２の冷却材入力６１６との間で液体の状態となるように構成される。冷却材入力６１６でＰＥＭ燃料電池スタック６０２に入る液体水がスタック６０２からの廃熱によって加熱され、全部または一部が蒸気に変換される。冷却材出力６１８で出力される残存液体水があれば、この液体水は冷却分岐部６６０からの水と共に加熱器６５７によって蒸気に変換される。加熱器６５７から出た蒸気は、冷却回路６５０内に含まれるタービン６５８に送出される。

【0026】

図８は、図２の燃料電池システム２００および電気推進機７９０を備える本発明の推進システム例７００を示す。電気推進機７９０は、インバータ７９２とプロペラまたはファン７９６を駆動するように構成された電動機７９４とを備える。推進システム７００の運転中、燃料電池システム２００の電気出力２４８で生成された電力が、電気推進機７９０のインバータ７９２に供給される。本発明の他の推進システム例では、燃料電池システム２００は、図３、図５、図６および図７の燃料電池システム３００、４００、５００、６００のうちの１つで置き換えられる。推進システム７００は航空機内に含まれ得る。

【0027】

燃料電池システム２００、３００、４００、５００、６００のそれぞれの予熱器２２７、３２７、４２７、５５７、６５７のいずれによっても、水素がその予熱器内で燃焼させられる速度が調整されることが可能になり、したがって予熱器から離れる気体水素の温度が調整されることが可能になる。

【0028】

本特許出願は、２０２１年１０月２８日に出願された英国特許出願第２１１５４８８．５号に基づいてその優先権の利益を主張し、その出願内容全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【手続補正書】

【提出日】2024-05-29

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料予熱器（３５７、５５７、６５７）、燃料電池スタック（３０２、５０２、６０２）、および前記燃料電池スタックを冷却するように構成された冷却回路（３５０、５５０、６５０）を備える燃料電池システム（２００、３００、４００、５００、６００）であって、前記燃料予熱器が、前記燃料予熱器の入力に供給された液体水素流を加熱して前記燃料予熱器の出力で気体水素流を供給するように構成され、前記燃料電池システムが、前記予熱器の前記出力からの気体水素を前記燃料電池スタックの燃料入力（３１２、５１２、６１２）まで搬送するように構成された搬送手段（３２８、５２８、６２８）をさらに備え、前記搬送手段および前記冷却回路は、前記冷却回路内の冷却材流体が前記燃料電池システムの運転中に前記搬送手段内の気体水素と熱接触するように構成され、
（ａ）前記冷却回路が、ランキンサイクルを実施し、前記冷却回路内の気体冷却材を凝縮するように構成された凝縮器（３５１、５５１、６５１）を含み、
（ｂ）前記凝縮器および前記搬送手段（３２８、５２８、６２８）は、前記凝縮器内の冷却材流体が前記燃料電池システムの運転中に前記搬送手段内の気体水素と熱接触するように構成され、
（ｃ）前記予熱器（３２７、５５７、６５７）が前記冷却回路内の冷却材流体を加熱するように構成される、
燃料電池システム（３００、５００、６００）。

【請求項2】

前記予熱器（３２７、５５７）が、前記予熱器の前記入力に供給された前記液体水素流の一部を燃焼させ、熱を発生させて前記液体水素流の残りを、気化させるか、または気化させ及び加熱するように構成される、請求項１に記載の燃料電池システム（３００、５００）。

【請求項3】

前記予熱器（６５７）が、前記燃料電池スタック（６０２）から出力された水素の少なくとも一部を燃焼させ、熱を発生させて前記予熱器の前記入力に供給された前記液体水素流を、気化させるか、または気化させ及び加熱するように構成される、請求項１に記載の燃料電池システム（６００）。

【請求項4】

ターボチャージャ（３１７、５１７、６１７）をさらに備え、前記ターボチャージャが、前記燃料電池システムの運転中にタービン（３２２、５２２、６２２）によって駆動されるように構成された圧縮機（３２４、５２４、６２４）を備え、前記圧縮機が、前記燃料電池スタック（３０２、５０２、６０２）の入力（３０８、５０８、６０８）に圧縮空気を供給するように構成され、前記燃料電池システムは、前記予熱器によって生成された燃焼生成物が前記タービンに供給されるように構成される、請求項２に記載の燃料電池システム（３００、５００、６００）。

【請求項5】

請求項１から４の何れか１項に記載の燃料電池システム（３００）と、前記燃料電池システムから電力を受け取り、前記電力を使用して推進推力を与えるように構成された電気推進機（７９０）と、を備える推進システム（７００）。

【請求項6】

請求項５に記載の推進システムを備える航空機。

【国際調査報告】