JP2001023669A - 燃料電池装置のための燃焼器空気流の制御方法 - Google Patents

燃料電池装置のための燃焼器空気流の制御方法

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JP2001023669A JP2000202313A JP2000202313A JP2001023669A JP 2001023669 A JP2001023669 A JP 2001023669A JP 2000202313 A JP2000202313 A JP 2000202313A JP 2000202313 A JP2000202313 A JP 2000202313A JP 2001023669 A JP2001023669 A JP 2001023669A
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Kenneth D Mowery
ケネス・ディー・モーウェリー
Eugene V Ripley
ユージーン・ブイ・リプリー
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池装置における燃料処理器への燃焼器
熱出力を制御すること。 【解決手段】 燃焼器３４は、空気と、酸素が欠乏する
空気を含む燃料電池カソード流出物とを含む二重空気入
力流を有する。全動作モードにおいて、燃料電池処理器
２の熱要件を満たすよう燃焼器３４に対する空気流の品
質を調整することにより、エンタルピ平衡がもたらされ
る。制御により、計算された空気流量と、燃焼器への空
気流のモル成分と、空気弁における圧力低下と、オリフ
ィスの断面積と弁歩進段数とに関する索引テーブルとに
応答しての、空気弁のオリフィス断面積の迅速な変化が
生じる。フィードバック・ループが、燃焼器３４への計
測された空気流と所定の空気流との間の誤差を微調整す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】（アメリカ合衆国政府援助の記述）米合衆
国政府は、米国エネルギ庁により許与された契約書第Ｄ
Ｅ−ＡＣ０２−９０ＣＨ１０４３５号に関わる当該発明
における権利を保有する。
【０００２】（関連出願の相互引照）本願は、参考のた
め本文に援用される、１９９９年７月２１日出願された
Ｄ．Ｊ．Ｈａｒｔ−Ｐｒｅｄｍｏｒｅ及びＷ．Ｈ．Ｐｅ
ｔｔｉｔ名義の係属中の米国特許出願第０９／３５８，
０８０号「メタノール排ガス燃焼器の制御方法（Ｍｅｔ
ｈａｎｏｌ Ｔａｉｌｇａｓ Ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ Ｃ
ｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄ）」、及びその一部継続出
願である同第０９／５６５，８５３号において開示され
特許請求された主題を開示する。
【０００３】本願は、１９９９年７月６日出願された
Ｂ．Ｊ．Ｃｌｉｎｇｅｒｍａｎ、Ｋ．Ｄ．Ｍｏｗｅｒｙ
及びＥ．Ｖ．Ｒｉｐｌｅｙ名義の米国特許出願第０９／
３４５，１２７号「燃料電池装置に対する燃焼器エア・
フロー制御方法（Ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ Ａｉｒ Ｆｌｏ
ｗ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｆｕｅｌ
Ｃｅｌｌ Ａｐｐａｒａｔｕｓ）」の一部継続出願であ
る。
【０００４】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気機械的な燃料
電池に関し、特に燃料処理器を加熱する燃焼器に関す
る。
【０００５】
【従来の技術】燃料電池は、多くの用途において動力源
として用いられてきた。燃料電池はまた、内燃機関に代
わる車両用動力装置として使用するように提起されてき
た。陽子交換膜（ＰＥＭ）形式の燃料電池においては、
水素が燃料電池のアノード側へ供給され、空気又は酸素
がオキシダントとしてカソード側へ供給される。ＰＥＭ
型燃料電池は、薄い陽子伝導性の固体高分子膜（一面に
アノードを持ち他の面にカソードを持つ電解質）を含む
「膜電極組立体」（ａ．ｋ．ａ．ＭＥＡ）を含んでい
る。ＭＥＡは、（１）アノード及びカソードに対する集
電体として働き、且つ、（２）燃料電池のガス状反応物
質をアノードとカソードの各触媒の表面に分布させるの
に適する通路及び／又は開口を有する１対の導電性素子
間に挟持される。複数の個々の電池は、一般にＰＥＭ燃
料電池スタックを形成するように一体に束ねられる。
【０００６】車両用途においては、液体燃料の搭載貯蔵
が容易であり且つ液体燃料を供給する全国的なインフラ
ストラクチャが存在するゆえに、アルコールのような液
体燃料（例えば、メタノール又はエタノール）あるいは
炭化水素（例えば、ガソリン）を車両の燃料として用い
ることが望ましい。しかし、このような燃料は、燃料電
池に対する補給のため水素成分を解放するよう分離され
ねばならない。この分離反応は、主として水素と二酸化
炭素を含む改質ガスを生じ且つ触媒全体にわたり熱エネ
ルギを生じる燃料処理器として知られる化学的燃料処理
器内で不均質に行われる。例えば、水蒸気及びメタノー
ル改質プロセスにおいては、メタノールと水（水蒸気と
して）とが理想的に反応させられて、ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ
→ＣＯ2＋３Ｈ2の反応により水素と二酸化炭素とを生じ
る。
【０００７】前記改質反応は、反応が生じるために外部
熱を必要とする吸熱反応である。充分な水素を生じるの
に要する熱は、所与の時点において燃料電池システムに
課される要求と共に変化する。従って、燃料処理器に対
する加熱手段は、広範囲の熱出力において動作すること
が可能でなければならない。火炎燃焼器あるいは触媒燃
焼器から外部で生成される熱により燃料処理器を加熱す
ることは公知である。１９９７年１１月にＷ．Ｐｅｔｔ
ｉｔの名義で出願され本発明の譲受人に譲渡された米国
特許出願第０８／９７５，４２２号及び同第０８／９８
０，０８７号は、改善された触媒燃焼器を開示し、更
に、燃焼器に対して未改質液体燃料と燃料電池からのア
ノード排気ガスを含む水素との一方又は両方を供給する
燃料電池システムと上記触媒燃焼器との統合を開示して
いる。この動作サイクルは、アノード化学量論、水蒸気
／炭素の比、システムに対する電気的要求、などのよう
な多くの因子に依存している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】大きな又は小さな電力
出力要件を生じる、燃料電池に課される負荷の変化は、
燃料処理器が生成する水素量の多少をもたらす。従っ
て、燃焼器は燃料処理器内部の化学反応の維持に要する
いかなる熱入力をも生成するから、同様に、燃焼器は燃
料処理器内の所望の反応温度を維持するための多くの又
は少ない熱を生成しなければならない。燃焼器の温度制
御は幾つかのパラメータに依存するが、重要なパラメー
タは燃焼器への空気流である。
【０００９】車両の燃料電池の用途において必要とされ
ることは、燃料電池の負荷変化に対する迅速な応答であ
る。しかし、簡単なフィードバックを用いて燃焼器への
空気流を制御する空気流制御装置は、遅い応答時間を呈
する。
【００１０】別の問題は、燃焼器に対する空気供給源と
してカソード流出物を用いることから生じる。このよう
なカソード流出物は、典型的には、燃料電池から出た後
は酸素に欠けるので、水、窒素及び酸素に関するカソー
ド流出物の実際の組成は通常の空気におけるものとは異
なる。燃焼器への空気は、燃料電池装置の動作モード、
即ち、始動、暖機、通常運転モードなどに依存して、２
つの異なる供給源から取り出されるので、単に空気又は
質量流量を測定する慣用のセンサは、燃焼器内の温度に
対して有害な効果を有するこのような空気の組成を考慮
に入れていない。
【００１１】このため、負荷の変化に対して迅速な応答
を持ち、従来の自動車用センサ及びアクチュエータによ
る閉ループ制御を用い、燃焼器への空気流における酸素
欠乏空気のモル分率の偏差を自動的に補償する、燃料電
池装置に対する空気流制御方法を提供することが望まし
い。
【００１２】
【課題を解決するための手段】燃料電池装置における燃
料処理器を加熱するため燃焼器を動作させる方法であっ
て、燃料処理器が燃料電池に供給するために水素を炭化
水素燃料から生成し、燃料電池が水素を含むアノード流
出物と酸素を含むカソード流出物とを排気する方法は、
燃料流を燃焼器に対して供給し、第１の空気供給源と燃
料電池からのカソード流出物とのうち少なくとも１つを
含む空気流を燃焼器に対して供給し、燃料処理器のパワ
ー入力要件を決定し、燃料処理器の決定されたパワー要
件を維持するため燃焼器のパワーを決定し、燃焼器の温
度を制御するため燃焼器に対する空気流を調整するステ
ップを含む。
【００１３】１つの特徴において、前記の調整するステ
ップは、空気流の方向を制御することを含む。望ましく
は、このステップは、空気を主としてスタックのカソー
ド部を介して及び燃焼器へ送り、あるいは、主として空
気を燃焼器に対する経路に直接送ることによって行われ
ることが望ましい。燃焼器に対する経路に直接送ること
はスタック・バイパスと呼ばれる。
【００１４】別の特徴においては、前記の調整するステ
ップは、空気流の組成に応答して、空気流における空気
流調整器又は弁のオリフィスの断面積を制御するステッ
プを含む。
【００１５】当該制御方法はまた、空気流調整器のオリ
フィスの断面積を最大あるいは最小の断面積に制限する
ステップを含む。
【００１６】当該方法の更に他の特徴においては、前記
の調整するステップは、燃焼器への空気流入力から空気
を抽気するため、空気流弁を外部排気へ接続するステッ
プを含む。
【００１７】一つの特徴によれば、空気流調整器又は弁
は、パルス・モータ作動装置により弁全開位置と全閉位
置との間に個別の歩進数で変更可能である可変断面オリ
フィスを有する空気流装置である。このオリフィスは、
各個別のステップにおいて既知の断面積を有する。本発
明の方法は、幾つかの入力パラメータ、センサ及び実験
的に得られるデータに基いて、弁を通過する所望の空気
流を決定し、所望の空気流を供給することが可能である
断面積にオリフィスを調整する。
【００１８】最後に、当該制御方法は、空気流調整器の
オリフィスの第１の断面積に、燃焼器への実際の測定さ
れた空気流と所定の空気流との間の差を表わす誤差信号
を加算するステップをも含む。本発明の一つの特徴によ
れば、誤差信号はＰＩＤ制御装置により生成される。
【００１９】本発明の種々の特徴、利点及び他の用途に
ついては、以降の記述及び図面を参照することにより更
に明らかになるであろう。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下において、メタノール（Ｍｅ
ＯＨ）燃料処理器により燃料供給される燃料電池に関し
て本発明を記述する。しかし、本文に開示される原理
は、水素に富む流れへ変換する燃料処理器を使用する、
エタノール又はガソリンなどの他の燃料が供給される燃
料電池に対しても等しく適用し得ることを理解すべきで
ある。
【００２１】図１に示されるように、燃料電池装置は、
メタノール流６からのメタノールと水流８からの水又は
水蒸気とを再循環床１０及び触媒床１２において触媒反
応させて、水素に富む改質ガス流を形成する。熱交換器
１４が、触媒床１２と選択的酸化（ＰＲＯＸ）反応器１
６との間に介挿される。改質出力ガス流は、主としてＨ
2とＣＯ2を含むが、Ｎ2、ＣＯ及び水をも含んでいる。
改質ガス流は、選択的酸化（ＰＲＯＸ）反応器１６を通
過してＣＯレベルを許容レベル（即ち、２０ｐｐｍより
低い）まで低減する。Ｈ2に富む改質ガス２０は、燃料
電池２２のアノード・チャンバへ送られる。同時に、オ
キシダント流２４からの酸素（例えば、空気）は、燃料
電池２２のカソード・チャンバへ送られる。改質ガス流
２０からの水素とオキシダント流２４からの酸素とが燃
料電池２２内部で反応して電気を生じる。
【００２２】燃料電池２２のアノード側からの排気又は
流出物２６は、若干の未反応水素を含む。燃料電池２２
のカソード側からの排気又は流出物２８は、若干の未反
応酸素を含む。流出物及び排気なる用語は、本文では互
換的に使用される。オキシダント流２４に対する空気
は、コンプレッサ３０により提供され、正常な動作条件
下で弁３２により燃料電池２２へ送られる。しかしなが
ら、始動期間には、以下本文において更に詳細に記述さ
れるように、燃料処理器２を加熱するため用いられる燃
焼器３４の入力側へ空気を供給するように弁３２が作動
させられる。
【００２３】熱交換器１４からの熱が、燃料処理器２に
おいて触媒床１０及び１２を加熱し、ＰＲＯＸ反応器１
６をも加熱する。この点に関して、燃料処理器２へ供給
されるＨ2ＯとＭｅＯＨとの混合物は、気化されて、混
合物が熱交換器１４からの熱を燃料処理器２の床１０、
１２及びＰＲＯＸ反応器１６へ運ぶ熱伝達媒体としても
機能するように、燃料処理器２の再循環床１０、触媒床
１２の熱交換器側、ＰＲＯＸ反応器１６及び熱交換器１
４を介して数回（例えば、２０回）再循環／再還流させ
られることが望ましい。
【００２４】熱交換器１４自体は、触媒燃焼器３４から
出た排気３６により加熱される。熱交換器１４からの排
気３６は依然として熱く、図示しない膨張器を通過させ
ることができ、この膨張器はコンプレッサ３０を駆動す
ることもでき、あるいは他の方法で利用され得る。図１
に示されるような当該構成においては、燃焼器３４から
の排気は燃料処理器２を加熱するために用いられ、大気
へ排気される前に、調整器３８、遮断弁１４０及び消音
器１４２を通過する。
【００２５】ＭｅＯＨ蒸気４０は、燃焼器３４の排気端
部４４内に収受された気化器４１から出る。気化器４１
は、燃焼器３４の排気から熱を取出し、車両の燃料タン
クから燃料計量装置４３により気化器４１へ供給される
液体ＭｅＯＨ４６のような第１の燃料流を気化させる熱
交換器である。気化器４１から出たＭｅＯＨ蒸気４０と
アノード流出物２６とは、燃焼器３４の流入端部４２と
排気端部４４との中間にある燃焼器３４の触媒部４８に
おいて反応させられる。酸素は、システム動作条件に従
って、コンプレッサ３０から（即ち、弁３２を介し
て）、あるいはカソード流出物流２８等の第２の空気流
から燃焼器３４へ供給される。弁５０は、燃料処理器２
において必要とされないとき燃焼器の排気３６の大気中
への排気を許容する。
【００２６】燃焼器３４の構造に関する更なる詳細につ
いては、参考のため本文に援用される、１９９７年１１
月Ｗ．Ｐｅｔｔｉｔの名義で出願された係属中の米国特
許出願第０８／９７５，４２２号及び同第０８／９８
０，０８７号を参照することにより知ることができる。
【００２７】電気的加熱要素（ＥＨＣ）５２は燃焼器３
４の触媒床４８の上流側に設けられ、燃焼器３４に流入
する液体燃料４６を気化し、触媒床４８から出るガスを
加熱し、燃焼器３４の始動期間に触媒床４８を予熱する
ように働く。加熱要素５２は、触媒作用を及ぼされて
も、及ぼされなくてもよい。本文に述べるように、燃焼
器３４の排気端部４４から出た排気ガスによって燃料が
気化されるので、始動後は、加熱要素５２は必要でな
い。望ましい加熱要素５２は、内燃機関排気の処理に用
いられる触媒コンバータの触媒を着火させるのに用いら
れるような、触媒作用を受けない市販の押出し成形金属
モノリス抵抗素子を含む。
【００２８】燃焼器３４の排気端部４４は、燃焼器３４
に燃料供給するため液体燃料を気化するのに用いられる
金属チューブのコイルである気化器４１を収容するチャ
ンバを含む。特に、通常の始動後の条件下では、空気又
はカソード流出物２８が前記コイルの流入端部へ導入さ
れ、慣用の自動車用燃料噴射器を介して流入端部へ噴霧
される液体燃料と混合される。航空機用の霧化された燃
料は、加熱されたコイル・チューブの一部を周回し、内
部で気化されてカソード流出物供給管路に配置される出
口でチューブから出る。このような気化された第１の燃
料流は、燃料電池装置の過渡的状態及び定常状態の要求
を満たすため必要とされるような燃焼器３４に対する燃
料として、第２の燃料流あるいはアノード流出物２６を
補給する。気化器コイルは、最小限の燃焼器排気流量で
最大限の燃料流量を気化するような寸法とされ、燃料の
全動作範囲にわたり、ＭｅＯＨと空気との混合気の自己
発火温度を越える温度で動作するように設計されてい
る。しかし、気化器内部の自己発火は、流入流の組成と
共に変化する混合気の最悪の火炎速度をコイルを流れる
混合気の速度が著しく越えることを保証することによっ
て回避される。
【００２９】図１に示されるように、また本文において
更に詳細に述べるように、燃焼器３４により供給される
べき燃料処理器２が必要とする熱量は、燃料処理器２に
加えられる燃料と水との量に依存する。燃料と水の供給
が多くなるほど、改質装置が必要とする熱エネルギが大
きくなる。燃料処理器２の熱需要を供給するために、燃
焼器３４は全量のアノード排気又は流出物と恐らくは若
干量の液体燃料とを用いる。エンタルピ式を用いると、
燃焼器３４の所望の温度要件を満たすため燃焼器３４へ
供給されるカソード排気又は空気の量を決定することが
でき、燃焼器３４は燃料処理器２により要求される熱を
最終的に満たす。燃焼器３４へ供給される酸素、空気又
は空気に類似する気体の気流は、当該装置がコンプレッ
サの気流が排他的に用いられる始動モードとカソード流
出物２８及び／又はコンプレッサ空気を用いる運転モー
ドとのどちらで動作しているかに従って、燃料電池２２
のカソードへ供給される全酸素量の或る比率であるカソ
ード流出物２８とコンプレッサ出力気流との一方又は両
方を含む。運転モードにおいては、燃焼器３４が必要と
するがカソード流出物２８によっては満たされない空
気、酸素又は希釈剤の全需要は、エンタルピ式を平衡さ
せ且つ燃焼器３４及び燃料処理器２によってそれぞれ要
求される温度及び熱を満たす量で、コンプレッサ３０に
よって供給される。
【００３０】空気の品質制御は、燃焼器３４へ供給され
るカソード排気と恐らくはシステム排気との抽気の量を
制御する可変オリフィスを有するパルス・モータ駆動弁
である空気希釈弁４７により実現され、抽気される空気
は調整器３８、遮断弁１４０及び消音器１４２を介して
大気へ排気される。空気希釈弁４７の更なる記述は、以
下本文において燃焼器３４の動作の種々のモード又はシ
ーケンスに関して行われる。
【００３１】本発明の燃料電池装置は、下記のように動
作する。燃料電池装置が冷えており始動中である動作開
始時に、（１）コンプレッサ３０が外部エネルギ源（例
えば、バッテリ）から励起される電動機により駆動され
て必要なシステム空気を供給し、（２）空気が燃焼器３
４と気化器４１の流入端部へ導入され、（３）液体燃料
（例えば、ＭｅＯＨ）４６が燃料噴射器を介して気化器
４１の流入端部へ注入され、流動する空気と共に微小な
液滴として霧化され、（４）空気とＭｅＯＨとの混合気
が気化器４１から出て、燃焼器３４へ導入されたコンプ
レッサ空気と混合され、次いで燃焼器３４の流入端部４
２へ導入され、（５）混合気は燃焼器３４の前段の火炎
防止器を通過し、（６）次いで、液滴を気化させて混合
気を加熱するよう混合気を加熱器５２により加熱し、
（７）予熱された蒸気状の混合気が、着火触媒床に接す
る前に更に密な混合を生じるよう媒体混合床へ入り、
（８）媒体混合床から出ると、混合気は主触媒床４８あ
るいは燃焼器３４の反応域へ入る直前に着火触媒床にお
いて酸化を開始し、ここで燃料の実質的に完全な燃焼が
生じ、（９）触媒床から出た高温排気ガスが燃料処理器
２と関連する熱交換器１４へ運ばれる。
【００３２】燃料処理器の温度が改質プロセスを行い且
つ維持するに足るだけ上昇すると、（１）空気を燃料電
池２２のカソード側へ送るように弁３２が活性化され、
（２）ＭｅＯＨと水とが燃料処理器２へ送られて改質反
応を開始し、（３）燃料電池２２から出た改質ガスが燃
料電池２２のアノード側へ送られ、（４）燃料電池２２
からのアノード流出物２６が燃焼器３４へ送られ、
（５）燃料電池２２からのカソード流出物２８が燃焼器
３４へ送られ、（６）空気が気化器４１へ導入され、
（７）液体メタノールが気化器４１内へ噴霧され、
（８）ＭｅＯＨと空気との混合気が加熱された気化器コ
イルを循環し、ここでＭｅＯＨが気化し、（９）次い
で、カソード流出物２８と共にメタノールと空気との混
合気がアノード流出物２６と混合され、（１０）混合気
が燃焼器３４の触媒床で燃焼される。
【００３３】通常の（即ち、始動後の）動作状態の期間
では、気化器４１は単独でＭｅＯＨを気化してＭｅＯＨ
と空気との混合気を予熱するので、加熱器５２は使用さ
れない。或る条件下では、以下に述べるように、燃焼器
３４は、気化器４１からの更なるＭｅＯＨ燃料を必要と
することなく、もっぱらアノード流出物及びカソード流
出物で動作し得る。このような条件下では、燃焼器３４
に対するＭｅＯＨの注入は遮断される。他の条件下、例
えば電力需要の増加時には、燃焼器３４に対して補給燃
料が与えられる。
【００３４】先に述べたように、燃焼器３４は、メタノ
ールと空気との混合気ばかりでなく燃料電池２２のアノ
ードからのアノード流出物２６のような多種の燃料を受
け取る。燃料電池２２のカソードからの酸素に欠ける排
気空気２８及びコンプレッサ３０からの空気もまた、燃
焼器３４へ供給される。
【００３５】本発明によれば、図１に示された制御装置
１５０が、燃焼器３４の動作を制御する。アノードの排
気あるいは流出物に、必要ならば液体燃料即ちメタノー
ルを加えたものが、燃焼器３４のエネルギ要求を支え
る。全ての燃料処理器の熱需要を満たすため燃焼器３４
へ供給される空気及び／又はカソード排気の量を制御す
ることにより、エンタルピ平衡が所望の反応温度を維持
する。
【００３６】本文では、装置構成要素のエネルギ要件が
パワー（ｐｏｗｅｒ）により表わされることに注意すべ
きである。これは便宜的であり、しばしばＢＴＵ／秒の
代わりにキロワットの単位でエネルギ率を表わすことを
意味する。
【００３７】制御装置１５０は、制御プログラム及びメ
モリに記憶されたデータを実行することができる中央処
理装置を持つ適宜のマイクロプロセッサ、マイクロコン
トローラ、パーソナル・コンピュータを含み得る。制御
装置１５０は、燃焼器３４に特化されたコントローラ、
あるいは車両の主要電子制御モジュールに格納されたソ
フトウエアで実現される専用のコントローラでよい。更
に、以下の記述は種々の動作モード又はシーケンスにお
いて燃焼器３４を制御するためのソフトウエア・ベース
の制御プログラムを記述するが、理解されるように、専
用の電子回路によって燃焼器制御の一部あるいは全部を
実現することもできる。
【００３８】本発明によれば、制御装置１５０は、５つ
の異なる動作モード又はシーケンスにおいて燃焼器３４
の動作を制御する。個々の動作モードは、（１）燃焼器
の始動、（２）燃料処理器の暖機期間での燃焼器の動
作、（３）燃料電池をオフラインにしての、燃料処理器
の始動期間での燃焼器の動作、（４）燃料電池スタック
をオンラインにしての、燃料処理器の運転モードにおけ
る燃焼器の動作、及び、（５）燃焼器の運転停止であ
る。これらの制御シーケンスの各々については、各図及
び表１における式に関して記述することにする。
【００３９】制御装置１５０へ入力信号を与え、あるい
は制御装置１５０からの出力信号により制御される種々
のセンサ、アクチュエータ及び諸装置については、以下
に述べる適切なシーケンスのステップに関して記述する
ことにする。燃焼器の始動 次に図２において、始動モード又はシーケンスの期間に
おいて燃焼器３４を制御するため制御装置１５０により
行われるプログラム・ステップのシーケンスが示され
る。
【００４０】最初に、制御装置１５０は、ステップ１５
２において、始動時の燃焼器のパワー・レベルと反応温
度とを選択する。これらの値は、特定の燃焼器性能及び
暖機時の全システム要件に基くものである。これは、機
関のこの動作点では燃料電池２２及び燃料電池２２が不
動作状態であり、燃焼器３４の始動時には燃料電池２２
あるいは燃料処理器２から水素が得られないからであ
る。他の方法は、クイック・スタート燃料処理器及びス
タック、あるいはオンボードの水素又は改質ガスの貯留
を含む。
【００４１】制御装置１５０は、空気バイパス弁３２を
空気の全流量をコンプレッサ３０から燃焼器３４へ向け
る位置へ切換える。制御装置１５０は、ステップ１５４
において選択されたパワー・レベル及び反応温度になる
ように燃焼器３４に対して所望の空気流を与えるようコ
ンプレッサ３０を調整する。制御装置１５０はまた、以
下に述べるように、燃料処理器２により要求される熱量
を前提にして、燃焼器内に所望の反応温度を生じるよう
燃焼器３４において要求される空気流量を決定すること
により、燃焼器３４へ供給される空気の選択された抽気
を生じるようにパルス・モータ駆動型の空気希釈弁４７
のオリフィス・サイズを制御して燃焼器３４における反
応のエンタルピを平衡させる。
【００４２】燃焼器の始動時には水素が利用できないか
ら、燃焼器の動作のための全てのパワーはメタノールの
ような別の燃料から得なければならない。制御装置１５
０は、表１における式１、式２及び式１６を用いて、表
１における式４ないし式１５を用いて計算される燃焼器
反応温度を得るのに要する所望のメタノール流量及び空
気流量を決定する。
【００４３】次いで、制御装置１５０は、ステップ１５
６において、質量流量計により計測されるコンプレッサ
３０に対する空気流量を燃焼器の最小空気流量と比較す
る。計測された空気流量が予め設定された燃焼器の最小
空気流量より小さければ、制御装置１５０は、ステップ
１５８において、燃焼器３４が所望の空気流量レベルに
達する時間限度を設定するタイムアウト・ループに入
る。ステップ１５６におけるタイムアウト・ループにお
いて時間切れになると、制御装置１５０は以下に述べる
燃焼器運転停止シーケンスへ切換わるる。
【００４４】計測された空気流量が予め設定された燃焼
器の最小空気流量を越えると、制御装置１５０は、ステ
ップ１６０において、センサ即ち熱電対１５１を調べ
て、燃焼器３４における触媒床４８の温度を決定する。
触媒床４８の温度が加熱器５２の予め設定されたターン
オフ温度を越えると、制御装置１５０はステップ１６２
において加熱器５２をオフにする。ステップ１６０にお
ける触媒床の温度が加熱器ターンオフ温度より低けれ
ば、制御装置１５０はステップ１６４において加熱器を
オンにする。
【００４５】次に、ステップ１６６において、制御装置
１５０は、質量流量計１６７の出力から気化器の空気流
量を決定し、計測された空気流量を最小空気流量設定点
と比較する。計測された気化器の空気流量が前記設定点
より小さければ、燃焼器の遮断シーケンスが実行され
る。しかし、気化器の空気流量が最小空気流量設定点よ
り大きければ、制御装置１５０は次に、センサ１５１に
より計測される燃焼器３４の触媒床４８の温度が最小温
度設定点を越えるかどうかを決定する。触媒床の温度が
最小温度設定点より低ければ、時間がタイムアウト期間
に止まるかぎりは、制御をステップ１６０〜１６８にお
いて逆にたどらせるタイムアウト・ループがステップ１
７０において実行される。最後に、ステップ１７０にお
けるタイムアウト・ループにおけるタイムアウト期間を
越え、且つ燃焼器の触媒床の温度が設定点温度に達しな
ければ、制御装置１５０は燃焼器遮断シーケンスを実行
する。
【００４６】燃焼器の触媒床４８の計測温度が最小設定
点温度と等しいか、これを越えるならば、制御装置１５
０は、ステップ１７２で設定される所望の燃焼パワー・
レベルにおいて燃焼噴射器４３を介してメタノール燃料
流量をオンにする。
【００４７】次いで、制御装置１５０は、ステップ１７
４においてセンサから気化器４１の温度Ｔｖａｐを計測
し、計測された気化器温度を燃焼器３４を全出力で運転
するための設定点温度と比較する。気化器温度が設定点
運転温度より低ければ、タイムアウト・ループ１７６に
入り、気化器温度に対する時間が設定点に達することを
許容する。最後に、タイムアウト期間が温度が一致する
ことなく越えるならば、燃焼器遮断シーケンスが実行さ
れる。燃料処理器の暖機 ステップ１７４において気化器４１の温度が最小設定点
運転温度に等しいか、あるいはこれを越えると、燃焼器
始動シーケンスが終了され、次いで、制御装置は図３に
示される燃料処理器暖機シーケンスを実行する。ステッ
プ１８０において、制御装置１５０は、燃料処理器２を
予定温度まで暖機するためのシステム要件に基いて、燃
焼器出力レベルと反応温度を設定する。貯蔵水素が利用
できなければ、燃焼器の全パワーは液体燃料から生じ
る。制御装置１５０は、式１、式２及び式１６を用いて
メタノール流量を計算する。所望の燃焼器反応温度を得
るために要する空気流量は、ステップ１８２において式
４ないし式１５を用いて制御装置１５０により計算さ
れ、空気希釈弁４７により制御される。
【００４８】次いで、制御装置１５０は、燃料処理器２
からのフィードバックを用いて、ステップ１８４におい
て、燃焼器３４のパワーが増すよう要求されるどうかを
決定する。そのような要求がなければ、ステップ１８５
において、燃焼器のパワーが低減しつつあるかどうかが
決定される。もし低減していなければ、燃料処理器がス
テップ１９８において始動される。燃焼器のパワーが低
減しているならば、ステップ１９２へ進む。
【００４９】ステップ１８４において燃焼器のパワーが
増大していることが求められるならば、ステップ１８６
において、制御装置１５０は燃焼器３４に対する空気流
量を増加させ、次いでステップ１８８において、燃焼器
の排気の変化によりセンサ又は熱電対１１６から計測さ
れる空気流量の増加を待機する。この待機期間は、
（１）プログラムされた時間的遅延、あるいは、（２）
空気流量計、燃焼器の触媒床における温度の低下あるい
は燃焼器マニフォールドにおける圧力の増加からのフィ
ードバックに基く期間であり得る。待機期間を越える
と、制御装置１５０は、ステップ１９０において燃焼器
３４に対するメタノール流量を増加させる。
【００５０】燃焼器のパワーが低下していることを制御
装置１５０がステップ１８５において決定する場合、制
御装置１５０は、ステップ１９２において燃焼器３４に
対するメタノール流量を低減させる。燃料流量を設定量
まで低減させるため、別の待機期間１９４が実行され
る。この待機期間は、（１）プログラムされた時間的遅
延、あるいは、（２）メタノール流量計燃焼器の触媒床
における温度低下又は燃焼器マニフォールドにおける圧
力低下からのフィードバックに基く期間であり得る。所
望の燃料流量の低下が生じると、制御装置１５０は、ス
テップ１９６において、適正な反応パワー及び温度とな
るように燃焼器３４に対する空気流量を低減させる。
【００５１】ステップ１８５、１９０あるいは１９６の
終りに、制御装置１５０は、ステップ１９８において、
燃料処理器２の始動の用意ができたかどうかを決定す
る。用意ができていなければ、先に述べたように、燃料
処理器２の始動の用意ができるまで、ステップ１８０な
いしステップ１９６が再実行される。
【００５２】上記ステップから判るように、パワーが増
大しているときには空気流量の変化が燃料流量の変化に
先行し、パワーが低下しているときには燃料流量の変化
が空気流量の変化に先行する。燃料処理器の始動――燃料電池オフライン 制御は、このとき、図４に示される燃料処理器始動シー
ケンスへ切換わる。ステップ２００において、燃料処理
器の触媒の運転温度及び所望の燃料処理器の出力パワー
（水素生成の相等キロワット）のような燃料処理器要件
を用いて、定常状態の運転温度まで燃料処理器２を始動
させるシステム要件を満たすのに必要な燃焼器のパワー
及び反応温度が決定される。燃料処理器２の始動期間
に、燃料処理器２は、燃焼器３４が消費し得る出力（水
素／流出物の生成）レベルで動作する。
【００５３】慣用されているように、燃料処理器２の始
動期間に、水と燃料（即ち、メタノール）が燃料処理器
２へ注入されると、水素及びＣＯに、Ｈ2ＯやＣＯ2のよ
うな他の流出ガスを加えたものが生じる。また、空気は
ＰＲＯＸ反応器１６へ注入され、燃料処理器２において
生じる一部のガス特に水素を消費する。このため、Ｈ 2
とＣＯとに等価なパワーを計算することができ、この出
力はＣＯの品質が燃料電池スタック２２による使用に耐
えないときに燃焼器３４へ循環される。
【００５４】始動時には燃料処理器２の温度は定常状態
動作温度に至らず、所望のレベルよりも高い一酸化炭素
レベルを改質ガスに生じさせるため、燃料処理器２の全
出力が、燃料として、燃料処理器出力ガス流を燃焼器３
４における第２の入口へ供給する燃料バイパス弁２０１
を介して燃焼器３４へ再循環される。バイパス空気もま
た空気バイパス弁３２を介して燃焼器３４へ供給され
て、燃料処理器２からの改質ガスの燃焼を生じさせる。
弁３２は比例型空気バイパス弁であることが望ましい。
燃焼器３４へ供給されるコンプレッサ３０からの空気の
総量は、可変コンプレッサの速度と比例型空気バイパス
弁３２の位置と空気希釈弁４７の直径と空気希釈弁４７
の位置とのうちの１つ以上によって調整される。このた
め、空気希釈弁４７の出力流は、弁４７の出力流オリフ
ィスの直径を制御することによって調整されることが望
ましい。燃焼器へ供給される空気はまた、弁体内の弁３
２の位置を開位置から閉位置へ、あるいは部分的に開あ
るいは部分的に閉のような中間位置へ変化させることに
よって制御可能である。この観点から、式１〜１６が有
用である。
【００５５】燃焼器３４へ供給される改質ガス流中の水
素量は、所与量の水素、一酸化炭素、二酸化炭素及び水
を作るよう反応する燃料処理器２へ注入される所与量の
燃料と水に基いて、ステップ２０２で制御装置１５０に
より計算される。制御装置１５０はまた、ＰＲＯＸ反応
器１６に対する或る量の空気の注入を考慮して、ＰＲＯ
Ｘ反応器１６へ入力される空気量に基いて、燃料処理器
２により生成される水素がどれだけＰＲＯＸ反応器１６
により消費されるかを決定する。これらの計算から、制
御装置１５０は、燃料処理器２から出力される等価パワ
ー（即ち、水素）を決定する。
【００５６】次いで、制御装置１５０は、ＰＲＯＸ反応
器１６により生成された熱を考慮して、燃料処理器２に
より生成され燃焼器３４へ供給された計算あるいは決定
された水素量を、計算された燃料処理器の始動パワー及
び反応温度要件と比較し、ステップ２０４において、燃
焼器の反応のエンタルピを平衡させるよう空気希釈弁４
７のオリフィスの直径を制御しながら、表１における式
１ないし１６を用いて、燃焼器に対するメタノールとオ
キシダント流の補給量を計算する。例えば、始動時に、
燃料処理器２は燃焼器３４へ供給される３０キロワット
相等の水素を生成するものとする。しかし、燃料処理器
２が定常状態温度には至らないため３５キロワット相等
量を必要としているならば、燃焼器パワー要件もまた３
５キロワットであり、燃焼器３４は燃料処理器２からの
３０キロワット相等の燃料を使用し、５キロワットの余
分なメタノールを必要とする。式１ないし１６は、この
パワーにおいて所望のガス流温度を生じるにはどれだけ
の量の空気が必要であるかを決定するために解かれる。
制御プログラムは、追加のメタノール量が使われる前
に、ＰＲＯＸ反応器１６により生成される熱を含む燃料
処理器２の出力から最大可能パワーが最初に得られるこ
とを保証する。
【００５７】注目すべきことに、燃焼器３４に対する燃
料処理器の暖機シーケンスと燃焼器３４の始動制御シー
ケンスは、（１）燃料電池の初期コールドスタート（つ
まり、機関が長期間アイドリング状態にあり且つ周囲温
度に達している場合）から利用でき、あるいは、（２）
機関が短期間だけオフにされ、その結果、残留熱が燃料
処理器と燃焼器の触媒床に維持される時に採用され得
る。機関の急速始動期間においては、燃料処理器２は許
容レベルの改質ガス、例えば低量の一酸化炭素を初めか
ら生成することが可能である。
【００５８】再び図４を参照して、ステップ２０６にお
いて、制御装置１５０は燃焼器３４に対する水素レベル
の供給が燃料処理器の熱要件あるいは燃焼器の最大設計
パワー出力を越えるかどうかを調べる。過剰な水素があ
るならば、制御装置１５０は、燃焼器運転停止シーケン
スへ切換わる。あるいはまた、燃料処理器のパワーを減
じることもできる。ステップ２０６において過剰な水素
がなければ、ステップ２０８において、充分な量の水素
が燃料処理器２から燃焼器３４へ供給されるか否かにつ
いて決定がなされる。水素が不充分であれば、制御装置
１５０は、ステップ２１０において、所望の燃料処理器
温度に達するのに要するメタノールの補給量を計算す
る。最大パワーは燃料処理器２の出力から最初に得ら
れ、次いでメタノールから得られる。このような計算を
行う際、制御装置は表１における式１ないし式３及び式
１６を実行する。ステップ２１０における計算値に基い
て、制御装置１５０は、ステップ２１２において弁４７
のオリフィスの断面積を変更することにより燃焼器３４
に対する空気流量を調整し、所望の空気流量の変化を待
ち、次いでステップ２１４において、燃焼器３４に対す
る液体メタノール燃料流量を増す。制御装置１５０は、
燃料エネルギ成分に基いて、表１の式を用いてステップ
２１４において燃料流量を調整する。
【００５９】次に、ステップ２１８において、制御装置
１５０は、燃焼器のパワー出力が燃料処理器パワー要件
より大きいか否かを判定する。その答えが否であるなら
ば、制御装置１５０は、ステップ２２０において、シス
テムが燃料電池の動作のための運転モードに入る用意が
あるかどうかを調べる。もし用意がなければ、制御は再
びステップ２００へ戻り、ステップ２００ないし２２０
が再び実行される。
【００６０】燃焼器パワー出力が燃料処理器要件より大
きければ、制御装置１５０は、ステップ２２２におい
て、燃焼器の排気を大気へ放出するため燃焼排気放出弁
５０を開く。
【００６１】再びステップ２０８へ戻り、燃料処理器の
運転を支持するに足る水素があるならば、制御装置は、
ステップ２２４において、燃焼器３４に対するメタノー
ル燃料流があるかどうかを決定する。燃料流があるなら
ば、制御装置１５０は、ステップ２２６において、燃焼
器３４に対する液体燃料の流量を燃料処理器の燃焼パワ
ー要件を満たすのに必要なレベルまで減じる。燃料流量
の変更のための待機時間はステップ２２８において実行
され、これはプログラムされた時間的遅延、あるいは、
燃料流量計燃焼器の触媒床における温度低下又は燃焼器
マニフォールドにおける圧力低下からのフィードバック
に基くものであり得る。次いで先に述べたように、ステ
ップ２１６ないし２２２が実行される。燃焼器の運転モード 図５は、燃料処理器２が運転モードにあるときの燃焼器
３４の運転モード又は動作シーケンスを示している。ス
テップ２３０において、システムが生成した式を用い
て、先に述べたように燃焼器３４へ供給されるアノード
排気流とカソード排気流の組成を計算する。次に、ステ
ップ２３２において、アノード排気の流量及び組成とカ
ソード排気の組成とを用いて燃焼器３４に対するメタノ
ール燃料流量とカソード排気流量とを計算するため、所
望の燃料処理器のパワー及び反応温度が用いられる。表
１における式１ないし１６は、空気希釈弁４７のオリフ
ィス径及び／又はコンプレッサ速度の調整によりオキシ
ダント流を制御することによって、反応のエンタルピ平
衡を維持するために用いられる。
【００６２】次に、ステップ２３４において、燃料処理
器の温度が、燃料処理器２内の熱交換器１４の出力とプ
ラグ流れ床１２との間に配置された温度センサの熱電対
２３５の出力を介して調べられ、この温度が定常状態運
転温度より低いかどうかが決定される。燃料処理器温度
が低ければ、制御装置１５０は、ステップ２３６におい
て、燃料処理器２の温度を定常状態設定点に上昇させる
ように燃焼器出力パワーを増加させて燃焼器３４に対す
る空気と燃料の流量を再計算する。燃焼器のパワーを増
すために、制御装置１５０は、ステップ２３８におい
て、弁４７のオリフィス径を調整することにより空気流
量を増し、ステップ２４０において空気流量における所
望の変化が生じるのを待つ。この待機期間は、プログラ
ムされた時間的遅延、あるいは、空気流量計燃焼器の触
媒床における温度の低下又は燃焼器のマニフォールドに
おける圧力の上昇からのフィードバックに基くものであ
り得る。次に、制御装置１５０は、ステップ２４２にお
いて燃焼器３４に対するメタノール燃料流量を増加させ
る。
【００６３】あるいはまた、燃料処理器の定常状態温度
が定常状態運転温度以上であれば、即ち低くなければ、
ステップ２３４において、制御装置１５０は、燃料処理
器の定常状態温度がステップ２４４における所望の定常
状態温度より高い又はこれを越えるかどうかを決定す
る。ステップ２４４において決定された燃料処理器温度
が設定点より高ければ、制御装置１５０は、ステップ２
４６において、メタノール燃料流量が燃焼器３４に対し
て投入されるかどうかを決定する。液体燃料流が投入さ
れなければ、制御装置１５０は排気放出弁５０を活性化
する。
【００６４】メタノール燃料流がステップ２４６におい
て決定されたように投入されるならば、制御装置１５０
は、ステップ２４８において燃焼器のパワーを低減さ
せ、表１におけるエンタルピ平衡式１ないし１６を用い
て燃焼器３４に対する所望のメタノール燃料流量と空気
流量とを再計算する。次いで制御装置１５０は、ステッ
プ２５０において燃焼器３４に対するメタノール燃料流
量を低減させ、ステップ２５２において燃料流量の変化
を所定の時間だけ待つ。この待機期間もまた、プログラ
ムされた時間的遅延、あるいは、燃料流量計燃焼器の触
媒床における温度低下又は燃焼器のマニフォールドにお
ける圧力低下からのフィードバックに基くものであり得
る。ステップ２５４において、制御装置１５０は，低減
された液体燃料流量に対して燃焼器３４への空気流量を
調整する。
【００６５】ステップ２４２又は２５４の完了時に、制
御装置１５０は、システムが連続運転モードに止まるべ
きかを決定し、止まるべきとの決定の場合は、ステップ
２３０において制御が再び切換わる。システム動作が継
続されるべきでなければ、制御装置１５０は、以下に述
べ図６に示されるように運転停止シーケンスに入る。 運転停止 燃焼器３４を運転停止させる制御シーケンスは、運転停
止指令により、あるいは制御装置１５０が図６に示され
る運転停止シーケンスに達するときに開始される。この
シーケンスは、運転停止指令が燃焼器に対する液体燃料
の遮断を開始するステップ２５９において開始する。
【００６６】図６に示されるステップ２６０において、
制御装置１５０は、燃料処理器の燃料供給を止めるかど
うかを決定する。止めるならば、制御装置１５０は、ス
テップ２６２において、燃焼器３４に対する空気流量を
予定された運転停止流量に設定する。次に、ステップ２
６４において、制御装置１５０は、燃焼器３４が予定さ
れた運転停止温度に達したかどうかを決定する。達して
いなければ、制御装置１５０は待機期間２６６を実行
し、燃焼器温度がその所望の運転停止温度に達するま
で、ステップ２６４及び２６６を循環する。次いで制御
装置１５０は、ステップ２６８において燃焼器３４に対
する空気流量を遮断して燃焼器運転停止シーケンスを完
了する。
【００６７】再びステップ２６０において、燃料処理器
の燃料供給が遮断されなかったならば、水素及び排気は
燃焼器３４へ供給され続ける。このような場合、制御装
置１５０は、ステップ２７０において、燃料電池２２か
らのアノード及びカソードの排気組成を計算することに
より、残りのエネルギ及び組成を決定する。ステップ２
７２において、制御装置１５０は、装置における残りの
全燃料を燃焼器３４が消費するのに要する、燃料電池２
２からのカソード流量とオキシダント流量とを計算す
る。制御装置１５０は、次に、ステップ２７４におい
て、ステップ２７２の結果により必要とされる燃焼器３
４に対する空気流量を空気弁４７によって調整し、装置
に残る全燃料が消耗されるまでステップ２６０へ戻る。
装置に残るエネルギ量が大きければ、制御装置１５０
は、燃焼器３４にシステム放出弁５０を介して残りの燃
料量のエネルギを消尽させる。
【００６８】次に、図７には、燃焼器３４に対する空気
流量及び酸素品質を制御するため、先に述べたように、
空気希釈弁４７のオリフィスの実効面積又は断面積を制
御するのに用いられる制御方法が示される。
【００６９】流量制御法はブロック図で示されるが、こ
の制御方法はハードウエア要素か、あるいは望ましくは
燃料電池装置の電子制御モジュールのメモリに格納され
た制御プログラムを介してソフトウエアで実現できる。
【００７０】一般に、本発明の制御方法は、（１）大気
の空気と一般に酸素の少ない空気である燃料電池カソー
ド排気とを含む空気の窒素、酸素及び水分子成分と、
（２）大気の成分の分圧と、（３）燃料電池のカソード
排気の予期される出力とに基いて、予め定めた空気流量
を得るように空気希釈弁４７のオリフィスの実効面積又
は断面積を迅速に設定するフィードフォワード制御ばか
りでなく、弁のオリフィス断面積と複数のディスクリー
トな段階での開口サイズとのテーブルをも用いる。更
に、従来のＰＩＤフィードバック・ループを用いて空気
希釈制御弁４７のオリフィス径の最終設定を実現する。
【００７１】図７に示されるように、燃焼器空気弁の数
学的モデル３００は、燃料電池装置のＥＣＭにより実行
される制御プログラムによって実現される。数学的モデ
ル３００は、燃料電池のカソード排気中の酸素、窒素及
び水のモル成分をそれぞれ表わす入力３０２、３０４及
び３０６を受取る。これらのモル成分は、燃料電池装置
における個々の処理器あるいは数学的モデル３００（図
７）を含むＥＣＭにおいて計算することができ、例え
ば、Ｏ2は１０％、Ｎ2は７５％、Ｈ2Ｏは１５％であ
る。また、数学的モデル３００に対する入力は、燃料電
池からのカソード流出物における酸素３０８、窒素３１
０及び水３１２のモル分率の分圧である。また、これら
の値は、燃料電池装置の通常運転モードと他の各動作モ
ードとの期間での燃料電池の予期されるカソード流出物
成分組成に基いて計算される。
【００７２】数学的モデル３００に対するセンサ入力
は、弁４７の上流側のカソード流出物圧力３１４と、弁
４７の下流側の圧力３１６と弁４７の上流側のカソード
流出物温度３１８とを含む。これらの入力値は、カソー
ド流出物流管において適切な位置に設定点された従来の
圧力・温度のセンサによって計測される。
【００７３】校正も、燃料電池装置において用いられる
空気希釈弁４７の特定の機械的特性に対する数学的モデ
ルへ与えられる。Ｋ＿ＣＯＭＢ＿ＡＩＲ＿ＶＬＶ＿Ｋ＿
ＣＯＮＳＴＡＮＴで示される定数３２２が数学的モデル
３００へ入力され、全開と全閉との間のオリフィスの流
量特性の表示を与える。当事例では、この定数は２．０
であった。Ｋ＿ＣＯＭＢ＿ＡＩＲ＿ＶＬＶ＿Ｋ＿ＣＯＮ
ＳＴＡＮＴは、この定数が弁位置と共に変化するなら
ば、索引テーブルからも得ることができる。
【００７４】最後に、数学的モデル３００への別の可変
入力は、先に述べたようにエンタルピ平衡式を解くこと
により供給される所望の燃焼器空気流量３２４である。
【００７５】先に述べた燃焼器の種々の動作モードにお
いて、燃焼器はコンプレッサ３０からの大気あるいは燃
料電池２２からのカソード流出物を受取る。特定の燃料
電池の化学量論に基いて、典型的には通常必要とされる
量の２倍程度の過剰空気が燃料電池の動作を維持するた
めに燃料電池へ供給される。カソード流出物に含まれる
酸素量が運転モードにおいて燃焼器の動作を維持するた
めにコンプレッサからの空気を必要とするほど低いよう
に、異なる燃料電池は異なるカソード化学量論を持ち得
る。
【００７６】１つの特徴において、数学的モデル３００
は、２組のモル成分とモル分率の分圧とを用いる。１つ
の組は、先に述べた燃焼器始動モード、燃料処理器暖機
モード及び燃料処理器始動モードの期間にコンプレッサ
により供給される正常な大気中の空気に対するものであ
る。燃焼器の通常運転モードと燃焼器の運転停止モード
（図７、３０２〜３１２参照）の期間においては、カソ
ード流出物中の酸素欠乏空気を用いる第２の組のモル成
分とモル分率分圧が存在する。望ましくは、図７に示さ
れる数値３０２ないし３１２を決定しこれらを数学的モ
デル３００へ供給するために、第２のモデルが用いられ
る。
【００７７】従って、動作においては、先に述べたいず
れかのモードでは、特定の燃料処理器出力が計算され
る。燃焼器出力熱要件は、要求される燃料処理器動作温
度を維持するように決定される。エンタルピ平衡式の解
は、要求される燃料処理器の燃焼器加熱要件の供給時に
燃焼器の動作を維持するよう、燃焼器３４への所望の空
気流量を与える。
【００７８】先に述べたように、可変断面オリフィスを
有する周知の空気希釈弁４７が当該制御方法において用
いられる。パルス・モータで制御される空気希釈弁４７
は、オリフィス断面の正確な個別ステップのゆえに好ま
れる。オリフィスの形状は任意の周知のオリフィス形状
でよく、ナイフ・エッジ・オリフィス、チューブ・オリ
フィスあるいは丸エッジを持つオリフィスなどを含む。
【００７９】動作において、所望の空気流量３２４を受
取ると、数学的モデル３００は、先に述べたセンサ入
力、可変入力及び校正値を用いて、所望の空気流量を維
持するオリフィス断面積を計算する。
【００８０】
【数１】 但し、Ａv＝所望の弁面積（ｍｍ2に対しては、ｍ2／１
×１０6）、 Ａu＝上流側の流れ面積（ｍ2） ｋ＝Ｋ＿ＣＯＭＢ＿ＡＩＲ＿ＶＬＶ＿Ｋ＿ＣＯＮＳＴＡ
ＮＴ ｍ＝ａｉｒ＿ｖｌｖ＿ｆｌｏｗ＿ｄｅｓ（ｋｇ／ｓにお
いて、Ｇ／ｓ／１０００） Ｐu＝上流側の圧力（ＰａにおいてｋＰａ×１０００） Ｐd＝下流側の圧力（ＰａにおいてｋＰａ×１０００） ρmix＝混合気の密度＝Ｐｍｉｘ／ＴｍｉｘＲｃ
【００８１】
【数２】Ｒｃ＝Ｒｕ（汎用の気体定数）／ＭＷｍｉｘ
【００８２】
【数３】ＭＷｍｉｘ＝Ｘ02ＭＷ02＋Ｘn2ＭＷn2＋ＸH2O
ＭＷH2O である。
【００８３】数学的モデル３００は、ＣＯＭＢ＿ＡＩＲ
＿ＶＬＶ＿ＰＯＳ＿ＤＥＳ＿ＶＩＲＴＵＡＬで示される
出力３３１を生成するが、この出力は、燃焼器３４に対
する所望の空気流量を提供するようにオリフィス断面を
調整する空気希釈弁４７のパルス・モータに対する歩進
数を指定する指令位置信号３３２を生成するため用いら
れる。各弁４７の製造者は、パルス・モータで操作され
る弁４７の設計データの一部として、オリフィスの断面
積とパルス・モータの歩進数との関係を提供する。この
データは索引テーブルとして数学的モデル３００のメモ
リに格納され、先に計算したように、所望の弁面積（Ａ
ｖ）は索引テーブルに対するアドレスとして働き、索引
テーブルの出力は所望の空気流量となるように弁のオリ
フィスを調整するパルス・モータにおける歩進数であ
る。数学的モデル３００からの出力３３１は、決定され
た弁歩進数である。
【００８４】数学的モデル３００の迅速な応答が、燃料
電池２２、燃料処理器２及び燃焼器３４における可変負
荷の変化に応答して弁のオリフィス断面積を迅速に変化
させるように、弁のオリフィス断面積の迅速な再決定を
行う。
【００８５】弁４７における所望のオリフィス断面積を
指定する指令位置信号３３２は、燃焼器３４への所望の
空気流量を維持するのに必要な正確な断面積でよいが、
質量流量計１５７により計測される、燃焼器３４への実
際の空気流量に対する弁の公差、燃料電池動作のばらつ
き等に起因して、所望のあるいは計算される所定の空気
流量から変動することがあり得、これが恐らくは典型的
である。このため、数学的モデル３００からの出力３３
１は、空気希釈弁のオリフィス断面積に対する初期設定
点と見なされるが、数学的モデル３００のフィードフォ
ワード構造のため迅速に達成される設定点である。
【００８６】燃焼器３４への所望の空気流量を維持する
ためオリフィスの断面積を微調整するため、実際の流量
と予め定めたあるいは計算された空気流量との間の誤差
がステップ３４０において決定される。この誤差は、誤
差をゼロに低減するようオリフィスの断面積における小
さな変更を行うため弁４７のパルス・モータに対する信
号を生成するよう、フィードバック・ループ３４２へ与
えられる。
【００８７】設定点あるいは実際の所望の空気流量と計
測された空気流量とを比較して誤差信号を生じ、この誤
差信号をゼロへ減じるため弁４７のオリフィスの断面積
を調整する制御フィードバックが用いられるが、図７に
示されるＰＩＤ制御ループが望ましい。
【００８８】前記ＰＩＤループ３４２は、比例項３４
４、積分項３４６及び微分項３４８をそれぞれ含み、こ
れらは誤差信号に加えられ、あるいはこの信号から差引
かれて所望の出力制御信号を生じる。特に、Ｄ項は、３
４９として示される２つの部分３４８及び３５０を有す
る。
【００８９】従来のＰＩＤ制御ループは、ハードウエア
あるいはソフトウエアのいずれでも実現することができ
る。例えば、従来のハードウエア構成では、ＰＩＤ項３
４４、３４６、３４９は別個の増幅回路、積算回路及び
微分回路によって提供される。あるいは、また本発明に
おいて望ましくは、これらの項は、オリフィスの断面積
の計測入力及び設定点入力に対して適用される値に応答
して制御信号に対する値を生じる周知のアルゴリズムに
より、ＥＣＭのソフトウエア構成において用いられる。
【００９０】比例項３４４は、誤差信号の大きさ及び所
望のオリフィス断面積を達成するのに必要な制御信号の
大きさと関連する線形利得係数を表わす。積分項３４６
は、設定点と計測された空気流量値との間の比例のみの
制御ループにおいて生じ得る残留誤差を減じるために用
いられる誤差信号の積分と関連する長い時定数の線形利
得項である。微分項３４９は誤差信号の導関数であり、
積分項の長期の精度上の利点を損なうことなく短期の遷
移に対するシステム応答を強化する。
【００９１】更に、ＰＩＤ制御ループにおいて周知のよ
うに、校正又は利得が３４４、３４６及び３４９の各項
へ与えられてＰＩＤループ３４２の動作をトリミングす
る。
【００９２】図７に示されるように、乗算器３５０、３
４４及び積分項３４６の出力は、Ｋ＿ＣＯＭＢ＿ＭＡＦ
＿ＴＲＩＭ＿ＬＯＯＰ＿ＢＩＡＳ利得項３５４と共に加
算接合点３５２において加算される。この校正項即ち利
得項３５４は、燃焼器３４に対する実際の空気流量と燃
焼器３４に対する予め定めた所望の空気流量との間に誤
差が存在しないとき、弁４７のデフォルト位置を規定す
る。校正項３５４はＰＩＤ制御ループ３４２に対し、望
ましくは加算接合点３５２に対して数値を入力する。１
つの特質において、校正項３５４は、比例項３４４、積
分項３４６及び微分項３４９の出力がゼロであるとき、
ＰＩＤ制御ループ３４２に対して数を入力する。
【００９３】加算接合点３５２の出力は、加算器出力を
１００で除すスケーラ即ち除算器３５６へ入力される。
【００９４】スケーラ３５６の出力は、誤差信号の調整
信号に対する最小及び最大の限度を規定する定数Ｋ＿Ｃ
ＯＭＢ＿ＭＡＦ＿ＴＲＩＭ＿ＡＤＪ＿ＭＩＮ及び定数Ｋ
＿ＣＯＭＢ＿ＭＡＦ＿ＴＲＩＭ＿ＡＤＪ＿ＭＡＸにより
調整される。一般に、これらの限度は、積分項３４６が
過大あるいは過小に動作しないようにする。
【００９５】限度制御の後、除算器３５６の出力は、ス
テップ３３０において数学的モデル３００の出力３３１
と加算される。
【００９６】ＰＩＤ制御ループ３４２は数学的モデル３
００からの指令位置信号３３１の生成という比較的速い
応答よりは遅い応答時間を持つので、空気希釈弁４７の
オリフィスの断面積は数学的モデル３００の出力３３１
により設定される指令位置へ迅速に調整され、次いで、
ＰＩＤ制御ループ３４２によって一層遅く調整されて、
質量流量計１５７により計測される燃焼器３４に対する
実際の空気流量と先に述べたエンタルピ平衡式により確
立される燃焼器３４に対する所望の又は予め定めた空気
流量との間の誤差を取除く。
【００９７】要するに、燃焼器に課される変動する工率
要件にわたって燃焼器に対する予め定めた空気流量を確
立する際に迅速な応答を行う独自の燃焼器空気流量の制
御方法が開示された。当該制御方法は、従来のＰＩＤ制
御ループの誤差出力にフィードフォワード制御出力を適
用して、燃焼器に対する空気流量を制御する空気希釈弁
のオリフィスの断面積を正確に制御する。当該制御方法
はまた、燃料電池からのカソード流出物における酸素欠
乏空気のモル分率の偏差を補償して、燃焼器の所望の熱
出力を維持する。
【００９８】前述の表１は以下のとおりである。
【００９９】
【表１】表 １ 演算式 （１） Ｐc＝ＰMeOH＋ＰH2（ＫＷ） 但し、Ｐc＝燃焼器のパワー、ＰMeOH＝ＭｅＯＨからの
パワー、ＰH2＝水素からのパワー （２） ＰMeOH＝６３６ｎMeOH 但し、ｎMeOH＝ＭｅＯＨのモル流量 （３） ＰH2＝２４２ｎH2 但し、ｎH2＝水素のモル流量 （４） ｎCATH＝（ｎMeOH・ｄｈ（ＭｅＯＨ）＋ｎＣＯ
2・ｄｈ（ＣＯ2）＋ｎH2・ｄｈ（Ｈ2）＋ｎＨ2Ｏ・ｄｈ
（Ｈ2Ｏ）＋ｎN2・ｄｈ（Ｎ2））／ｄｈ（ＣＡＴＨ） 但し、ｎCATH＝燃焼器へのカソード入力のモル流量；ｎ
ＣＯ2、ｎH2、ｎＨ2Ｏ、ｎN2＝それぞれ燃焼器へのアノ
ード入力におけるＣＯ2、Ｈ2、Ｈ2Ｏ及びＮ2のモル流
量；ｄｈ（Ｘ）＝燃焼器の入口から燃焼器の出口に対す
る所与の成分Ｘのエンタルピの差 （５） ｄｈ（ＭｅＯＨ）＝Ｈ（ＭｅＯＨ，ＴMeOH）−
Ｈ（ＣＯ2，ＴCRT）−２・Ｈ（Ｈ2Ｏ，ＴCRT）＋１．５
・Ｈ（Ｏ2-ＴCRT） 但し、Ｈ（Ｘ，Ｔy）＝温度Ｔyにおける成分Ｘのエンタ
ルピ、ＴMeOH＝気化器へ供給される液体ＭｅＯＨの温
度、ＴCRT＝燃焼器の反応温度（焼尽温度） （６） ｄｈ（ＣＯ2）＝Ｈ（ＣＯ2，Ｔａｎ）−Ｈ（Ｃ
Ｏ2，ＴCRT） 但し、Ｔａｎ＝燃焼器に対するアノード温度 （７） ｄｈ（Ｈ2）＝Ｈ（Ｈ2，Ｔａｎ）＋０．５・Ｈ
（Ｏ2，ＴCRT）−Ｈ（Ｈ 2Ｏ，ＴCRT） （８） ｄｈ（Ｈ2Ｏ）＝Ｈ（Ｈ2Ｏ，Ｔａｎ）−Ｈ（Ｈ
2Ｏ，Ｔａｎ） （９） ｄｈ（Ｎ2）＝Ｈ（Ｎ2，Ｔａｎ）−Ｈ（Ｎ2，
ＴCRT） （１０） ｄｈ（ＣＡＴＨ）＝％Ｏ2・ｄｈ（ＣＡＴＨ
Ｏ2）＋％Ｎ2・ｄｈ（ＣＡＴＨ Ｎ2）＋％Ｈ2Ｏ・ｄ
ｈ（ＣＡＴＨ Ｈ2Ｏ） 但し、％Ｏ2、％Ｎ2及び％Ｈ2Ｏはそれぞれ、カソード
入力における酸素、窒素及び水のモル分率（百分率）で
ある。 （１１） ｄｈ（ＣＡＴＨ Ｏ2）＝Ｈ（Ｏ2，ＴCA）−
Ｈ（Ｏ2，ＴCRT） 但し、ＴCA＝カソード入力温度 （１２） ｄｈ（ＣＡＴＨ Ｎ2）＝Ｈ（Ｎ2，ＴCA）−
Ｈ（Ｎ2，ＴCRT） （１３） ｄｈ（ＣＡＴＨ Ｈ2Ｏ）＝Ｈ（Ｈ2Ｏ，
ＴCA）−Ｈ（Ｈ2Ｏ，ＴCRT） （１４） ｍCATH＝ｎCATH・ｍｗCATH 但し、ｍｗCATH＝カソード入力流の分子量 （１５） ｍｗCATH＝％Ｏ2・ｍｗO2＋％Ｎ2・ｍｗN2＋
％Ｈ2Ｏ・ｍｗH2O （１６） ｍMeOH＝ｎMeOH・ｍｗMeOH
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池装置を示す概略図であ
る。
【図２】本発明に係る燃焼器始動の制御シーケンスを示
すフロー図である。
【図３】本発明に係る燃料処理器暖機の燃焼器制御シー
ケンスを示すフロー図である。
【図４】本発明に係る燃料処理器始動の燃焼器制御シー
ケンスを示すフロー図である。
【図５】本発明の運転モードの燃焼器制御シーケンスを
示すフロー図である。
【図６】本発明に係る運転停止の燃焼器制御シーケンス
を示すフロー図である。
【図７】本発明に係るフロー方法を示すブロック図であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ケネス・ディー・モーウェリー アメリカ合衆国インディアナ州46060，ノ ーブルズビル，トレモント・コート 309 (72)発明者 ユージーン・ブイ・リプリー アメリカ合衆国インディアナ州46979，ロ シアビル，シュガー・ミル・ロード 5276

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料電池装置における燃料処理器を加熱
    する燃焼器を動作させる方法であって、前記燃料処理器
    が前記燃料電池に供給するための水素を炭化水素から生
    成し、前記燃料電池がカソード流出物を含む酸素を排気
    する方法において、 燃料流を前記燃焼器へ供給するステップと、 第１の空気源と前記燃料電池からのカソード流出物のう
    ち少なくとも一方を含む空気流を前記燃焼器へ供給する
    ステップと、 前記燃料処理器のパワー入力要件を決定するステップ
    と、 前記燃料処理器の決定されたパワー要件を満たすため前
    記燃焼器のパワーを決定するステップと、 前記燃焼器の温度を制御するため該燃焼器に対する空気
    流量を調整するステップと、を含む方法。
  2. 【請求項２】 前記の調整するステップが、 前記空気流量の組成に応答して空気流における空気流量
    調整器の出力流オリフィスの実効断面積を制御するステ
    ップを含む請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記の調整するステップが、 全開位置と全閉位置との間の複数の個別の段階で変化
    し、且つ、各個別の段階において既知の断面積を有する
    可変断面積オリフィスを有する空気流量調整器を前記空
    気流に設けるステップと前記カソード流出物の組成に応
    答して、前記オリフィスを第１の断面積へ調整するステ
    ップと、 ＰＩＤ制御ループを用いて、前記燃焼器への実際の空気
    流量と所望の空気流量との間の差に基いて、前記オリフ
    ィスを所望の断面積へ調整するステップと、を含む請求
    項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記燃焼器への第１の空気流から空気を
    抽気するため前記空気流量調整器を排気へ接続するステ
    ップを更に含む請求項３記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記空気流調整器のオリフィスの断面積
    変化の大きさを最大及び最小の断面積に制限するステッ
    プを更に含む請求項３記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記空気流弁のオリフィスの直径の第１
    の断面積に、前記燃焼器への計測された実際の空気流量
    と所定の空気流量との間の差を表わす誤差信号を用いて
    決定された調整値を加えるステップを更に含む請求項３
    記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記誤差信号がＰＩＤ制御ループにより
    生成される請求項６記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記の調整するステップが、主として第
    １の空気源から前記燃焼器へ、あるいは、前記第１の空
    気源から燃料電池のカソード部分へ空気流を向けること
    によって空気流の方向を制御し、もって、前記燃焼器へ
    供給される前記カソード流出物を提供するステップを含
    む請求項１記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記燃料処理器のパワー要件に基いて前
    記燃焼器に対する燃料流を調整するステップを更に含む
    請求項１記載の方法。
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