JP2001223016A - 燃料電池システムで燃焼器を作動させるための方法 - Google Patents

燃料電池システムで燃焼器を作動させるための方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃焼器と燃料プロセッサとの作動パラメータ
の間に公称値通りに予測される関係が存在するか否かを
判定する。 【解決手段】 燃料電池システム内の燃料プロセッサを
加熱するため燃焼器を作動させる方法に関する。燃料プ
ロセッサは、水素の豊富な流れを生成し、該流れの一部
分は燃料電池スタックで消費され、該流れの一部分はス
タックから排出されて燃焼器に供給され、第1及び第2
の流れが燃焼器に供給され、第1の流れは炭化水素の燃
料流れであり、第2の流れは水素の豊富な流れからな
る。本方法は、燃料プロセッサの温度を監視し、燃料プ
ロセッサの温度に従って燃焼器への第1の流れの量を調
整し、第1の流れの量を所定値又は所定範囲に亘る値と
比較する、各工程を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に係り、より詳しくは、燃料電池スタックで消費するた
めのH2の豊富な供給ガスを生成する燃料プロセッサを
加熱する燃焼器に関する。
【0002】アメリカ合衆国政府は、米国エネルギー省
により授与された契約番号DE−AC02−90CH1
0435に従って本発明に関する権利を有する。
【0003】
【従来技術】燃料電池は、多数の用途で電力源として使
用されてきた。例えば、燃料電池は内燃機関に取って代
わるため電気自動車の電力設備で使用するため提案され
てきた。陽子交換膜(PEM)型式の燃料電池では、水
素が燃料電池のアノードに供給され、空気が酸化剤とし
てカソードに供給される。PEM燃料電池は、薄い陽子
透過性で非導電性の固体ポリマー膜電解質からなる「膜
電極アセンブリ(MEA)」を備え、固体ポリマー膜電
解質は、その一方の面にアノード触媒、反対側の面にカ
ソード触媒を有している。MEAは、一対の導電性エレ
メントの間に挟まれ、該一対の導電性エレメントは、
(1)アノード及びカソード用の電流コレクターとして
役立ち、(2)各々のアノード及びカソードの触媒の表
面に亘る燃料電池ガス状反応物の分配のための適切なチ
ャンネル及び/又は開口を含む。「燃料電池」という用
語は、典型的には、文脈に応じて単一電池及び複数の電
池(スタック)のいずれかに言及するため使用される。
複数の個々の電池は、一般には、燃料電池スタックを形
成するため一緒に束ねられ、一般に、直列に配列されて
いる。スタック内部の各々の電池は、前述した膜電極ア
センブリ(MEA)を含み、そのような膜電極アセンブ
リの各々は、その電圧の増分を提供する。スタック内部
で隣接する電池のグループは、クラスターと称される。
スタック内における多数の電池の典型的な配列は、ゼネ
ラル・モーターズ・コーポレーションに譲渡された、米
国特許番号5,763,113号で説明されている。
【0004】PEM燃料電池では、水素(H2)がアノ
ード反応物(即ち燃料)であり、酸素がカソード反応物
(即ち酸化剤)である。酸素は、純粋形態(O2)及び
空気(O2とN2の混合物)のいずれでもよい。固体ポリ
マー電解質は、典型的には例えばフッ化硫酸などのイオ
ン交換樹脂から作られる。アノード又はカソードは、典
型的には細かく分割された触媒粒子を含み、これらの粒
子は、しばしば炭素粒子に担持され、陽子伝達性樹脂で
混合される。触媒粒子は、典型的には、高価な貴金属粒
子である。これらの膜電極アセンブリは、製造する上で
比較的高価であり、効率的な作動のため、適切な水管
理、加湿及び一酸化炭素(CO)などの触媒汚染要素の
制御を含む幾つかの条件を必要とする。
【0005】車両の用途に対しては、燃料電池用の水素
源として例えばアルコール(例えばメタノール又はエタ
ノール)或いは炭化水素(例えばガソリン)などの液体
燃料を使用するのが望ましい。車両用のそのような液体
燃料は、車内に蓄えるのが容易であり、液体燃料を供給
するための全国的なインフラストラクチャーが存在す
る。しかしながら、そのような燃料は、燃料電池に燃料
供給するためには、その水素含有成分を解放するように
解離されなければならない。解離反応は、化学燃料プロ
セッサ即ち改質器内部で達成される。燃料プロセッサ
は、1つ又は複数の反応器を含み、該反応器では、燃料
は、主要には水素及び二酸化炭素を含む改質ガスを与え
るため、蒸気及び時として空気と反応する。例えば、蒸
気メタノール改質プロセスでは、理想的には、メタノー
ル及び(蒸気としての)水が水素及び二酸化炭素を生成
するように反応される。実際には、一酸化炭素及び水も
生成される。ガソリンの改質プロセスでは、蒸気、空気
及びガソリンが、2つの区画を含む燃料プロセッサ内で
反応される。そのうちの一つは、主として部分酸化反応
器(POX)であり、他方は、主として蒸気改質器(S
R)である。燃料プロセッサは、水素、二酸化炭素、一
酸化炭素及び水を生成する。下流の反応器は、水/ガス
シフト反応器(WGS)及び優先酸化反応器(PRO
X)などを含み得る。優先酸化反応器では、二酸化炭素
(CO2)が、空気から得られる酸素を酸化剤として使
用して、一酸化炭素(CO)から生成される。ここで、
空気供給の制御は、COをCO2に選択的に酸化させる
ために重要である。燃焼器は、燃料電池システム内に典
型的に備えられており、必要に応じて、反応器を含む燃
料プロセッサの様々な部分を加熱するため使用される。
【0006】PEM燃料電池によって消費するための水
素の豊富な改質物を生成するため炭化水素燃料を処理す
る燃料電池システムが知られている。このシステムは、
本発明の代理人であるゼネラル・モーターズ・コーポレ
ーションに各々譲渡されている、1997年11月に出
願された現在係属中の米国特許出願シリアル番号08/
975,442号及び08/980,087号、並び
に、1998年11月に出願された米国特許シリアル番
号09/187,125号で説明されており、更に、1
998年3月5日に公開された、国際特許出願番号WO
98/08771号で説明されている。典型的なPEM
燃料電池及びその膜電極アセンブリ(MEA)は、各々
1993年12月21日に登録された米国特許5,27
2,017号及び1994年5月31日に登録された
5,316,871号で説明されている。それらの特許
はゼネラル・モーターズ・コーポレーションに譲渡され
ている。
【0007】燃料電池システムの効率的な作動は、燃焼
器及び燃料プロセッサなどの主要な相互依存構成要素即
ちサブシステムの作動を効率的に制御する能力に依存す
る。燃焼器及び燃料プロセッサの相互依存作動は、各々
特に困難性を持つ制御を与える。燃焼器は、燃料プロセ
ッサが燃料電池用の水素の豊富な供給流れを生成する上
で十分な温度まで燃料プロセッサを加熱する。次に、燃
焼器は、燃料プロセッサからの水素の豊富な流れによっ
て少なくとも部分的には燃料供給される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】従って、燃焼器と燃料
プロセッサとの幾つかの一定の作動パラメータの間に公
称値通りに予測される関係が存在するか否かを判定する
方法を提供することが望ましい。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、燃料電池スタ
ックで使用するための水素の豊富な供給流れを生成する
燃料プロセッサを加熱する燃焼器を含む燃料電池システ
ムの作動に向けられている。水素の豊富な供給流れは、
燃料電池スタック内で消費され、これによって電気が生
成される。本発明は、システム内の燃焼器を作動させる
ための新しい方法、特に、燃焼器に入力される燃料を調
整するための改善された方法を提供する。一つの態様で
は、燃焼器に入力される増補の炭化水素燃料は、燃料プ
ロセッサの温度に基づいて調整される。好ましくは、燃
料プロセッサは、触媒ベッドを有する反応器を含み、燃
焼器に入力される燃料は、そのような触媒ベッドの温度
の変化に基づいて調整される。
【0010】一つの態様では、本発明は、燃料プロセッ
サの監視された温度に応じて燃焼器を作動し、燃料プロ
セッサの比較的低い温度を検出し、燃焼器に供給される
炭化水素燃料の量を調整し、燃焼器へのそのような調整
された(燃料流れ)供給量を、所定の燃料流量若しくは
所定範囲の燃料流量と比較するための方法を提供する。
本発明の特徴を更に理解するため、燃焼器、燃料プロセ
ッサ及び燃料電池スタックの間の関係を理解することが
有用である。
【0011】燃料プロセッサは、炭化水素から水素の豊
富な生成物(供給流れ)を生成する。燃料プロセッサか
らの水素の豊富な供給流れは、水素を酸素で酸化させる
ことによって電気を生成する燃料電池スタックに供給さ
れる。好ましい始動モードでは、炭化水素燃料の流れ及
び空気の流れが燃焼器に供給される。炭化水素燃料及び
空気は、燃料プロセッサを加熱するように熱を生成する
ため燃焼器内で反応され、即ち、燃焼される。燃焼器内
の燃焼反応の生成物は、燃料プロセッサに供給される好
ましくは、燃料プロセッサ内の1つ又はそれ以上の反応
器は、燃焼器の生成物からの間接的な熱輸送によって加
熱される。燃焼器からの燃焼の生成物が燃料プロセッサ
を加熱し始めた後、炭化水素反応物が燃料プロセッサに
供給される。炭化水素反応物は、燃料プロセッサ内で、
蒸気、空気、又は両者の結合物と反応される。炭化水素
反応物と、蒸気及び/又は空気との間の反応は、電気を
生成するため燃料電池スタック内で利用可能である水素
の豊富な供給流れを生成する。
【0012】一つの態様では、燃料プロセッサがその所
望の温度を達成し、これを維持した後、それは、電気を
生成するため燃料電池スタック内で消費される水素の豊
富な流れを生成する。しかし、燃料電池スタックに供給
される水素の量がシステムから望まれる電力の増分を生
成するため必要とされる量より大きい場合、水素の豊富
な供給流れの少なくとも一部分は、燃料電池スタック内
で消費されず、燃焼器に差し向けられる。水素の豊富な
供給流れのこの余剰部分は、燃料プロセッサを加熱する
ように熱を生成するため燃焼器内の空気の流れと反応さ
れる。
【0013】従って、本発明は、燃料電池システム内の
燃料プロセッサを加熱するため燃焼器を作動させる方法
を提供し、この方法では、燃料プロセッサは、水素の豊
富な流れを生成し、その一部分が燃料電池スタックで消
費され、他の一部分が燃料電池スタックから排出されて
燃焼器に供給される。従って、第1及び第2の流れが、
燃焼器に供給される。第1の流れは、炭化水素燃料であ
り、第2の流れは、水素の豊富な流れからなる。より詳
しくは、本方法は、燃料プロセッサの温度を監視し、燃
料プロセッサの温度に従って燃焼器への第1の流れの量
を調整し、第1の流れの量を所定値又は所定範囲に亘る
値と比較する、各工程を含む。
【0014】別の態様では、本発明に係る方法は、燃焼
器への第1の流れの量が所定値と異なっているとき出力
信号を生成する工程を更に含む。好ましくは、この比較
は、各々の量的調整が取られた後に行われる。好ましく
は、そのような比較は、各調整の前及び/又は後になさ
れるのがよい。所望ならば、第1の流れの量は、所定範
囲の値と比較され、この第1の流れの量の値が所定範囲
外である場合に出力信号を生成するようにしてもよい。
【0015】一旦、第1の流れの量が、所定値又は所定
範囲の値と異なっていると判定された場合、様々な修正
処置が可能である。好ましい態様では、本方法は、燃料
プロセッサの温度の減少に応答して、燃焼器への第1の
流れの量を増加させる工程を更に含む。
【0016】別の修正処置は、出力信号が生成されたと
き燃料電池スタックの作動を終了させる工程である。遅
延時間と呼ばれる一定時間に亘って出力信号を遮蔽し、
信号の持続時間が一定期間を超えたとき燃料電池スタッ
クの作動を終了させることが可能である。
【0017】好ましい態様では、燃料プロセッサは、触
媒ベッドを有する反応器を含み、燃料プロセッサの監視
された温度がそのようなベッドの温度であるのがよい。
燃料プロセッサの触媒ベッドの温度を監視することによ
って、そのような監視された温度に従って、燃焼器への
第1の流れの供給を調整すべきか否かの判定がなされ
る。
【0018】要約すると、好ましい態様では、本発明に
係る方法は、燃料プロセッサの比較的低い温度レベルを
判定し、燃焼器に供給される第1の流れの量を増加さ
せ、そのように調整された量を、所望又は所定の、値若
しくは範囲内の値と比較する。
【0019】本発明の様々な特徴、利点及び他の使用方
法は、次の説明及び添付した図面を参照することによっ
てより明らかとなろう。
【0020】
【発明の実施の形態】一実施形態では、本発明は、燃料
プロセッサを燃料電池システム内で所望の温度に加熱す
るため燃焼器を作動させる方法を提供する。ここで、燃
料プロセッサは、電気を生成するための燃料電池内部の
反応のため炭化水素から水素(H2)を生成する。シス
テム始動モードの一部分として、作動の燃焼器モード
は、燃料プロセッサを加熱するため炭化水素燃料が燃焼
器内で反応されるモードから、燃料プロセッサにより生
成された水素の豊富な供給流れが、システムへ熱を供給
するべく燃焼器に戻り、そこで反応するため再循環され
るモードへと変化する。駆動モードの間、燃料プロセッ
サは、スタックにより消費するため必要とされるよりも
かなり大きい量に燃料電池スタックのための水素の豊富
な供給流れを生成する。ここで、水素の豊富な供給スト
ックの一部分は、上述したように燃焼器に戻って再循環
される。本発明は、燃料プロセッサの温度に基づいて燃
焼器への燃料導入を調整するように作動する方法及び選
択システム設計特徴を提供する。
【0021】本発明の様々な態様は、図1に一例として
示された燃料電池システムを参照して更に理解すること
ができる。従って、本発明を更に説明する前に、作用の
好ましい方法及び装置の特徴がその内部で実施されると
ころのシステムを理解することが有用である。
【0022】図1は、燃料電池システムの一例を示して
いる。このシステムは、車両推進用のエネルギー源とし
て車両(図示せず)で使用することができる。本システ
ムでは、炭化水素が、例えば、体積又はモル単位で比較
的高い水素含有量を有する改質ガスを生成するため、改
質及び優先酸化プロセスによって燃料プロセッサで処理
される。従って、水素の豊富な、比較的高い水素含有量
の改質物即ち供給流れが基準とされる。
【0023】以下、本発明は、改質物が作られる方法に
係りなく、H2の豊富な当該改質物により燃料供給され
る燃料電池の文脈で説明される。本文中で具体化された
原理は、改質可能な炭化水素及び水素含有燃料、例えば
メタノール、エタノール、ガソリン、アルケン、又は、
他の脂肪族若しくは芳香族の炭化水素などを含む任意の
源から得られるH2により燃料供給される燃料電池に適
用可能であることが理解されるべきである。
【0024】図1に示すように、燃料電池装置は、改質
可能な炭化水素の燃料の流れ6と、水の流れ8からの蒸
気の形態にある水とを触媒的に反応させるための燃料プ
ロセッサ2を備えている。幾つかの燃料プロセッサで
は、空気は、優先酸化/蒸気改質反応の組み合わせにお
いても使用される。この場合には、燃料プロセッサ2
は、空気の流れ9も受け入れる。燃料プロセッサは、1
つ又はそれ以上の反応器12を含み、該反応器では、流
れ6内の改質可能な炭化水素燃料が、水素の豊富な改質
物を生成するため、水/流れ8及び時として(流れ9内
の)空気の存在下で解離を経験する。更には、各々の反
応器12は、1つ又はそれ以上の反応器ベッドを持ち得
る。反応器12は、1つ又はそれ以上の区分即ちベッド
を持ち、様々な設計が知られ且つ利用可能である。従っ
て、反応器12の選択及び配置は、変更することができ
る。以下、例として掲げた燃料改質反応器14及び下流
側の反応器16を説明する。
【0025】例示によれば、一例としての蒸気/メタノ
ール改質プロセスでは、メタノール及び(蒸気として
の)水は、従来技術の欄で前述したように、水素及び二
酸化炭素を生成するため、反応器14内で理想的に反応
される。実際には、一酸化炭素及び水も生成される。更
なる例によれば、一例としてのガソリン改質プロセスに
おいて、蒸気、空気及びガソリンが2つの区分を有する
反応器14を含む燃料プロセッサ内で反応される。反応
器14の一方の区分は、主要には、部分酸化反応器(P
OX)であり、当該反応器の他方の区分は、主要には、
蒸気改質器(SR)である。メタノール改質の場合のよ
うに、ガソリン改質は、所望の水素を生成するが、加え
て、二酸化炭素、水及び一酸化炭素を生成する。従っ
て、各々の型式の改質の後、生成物の流れの一酸化炭素
含有量を減少させることが望ましい。
【0026】従って、燃料プロセッサ2は、例えば水/
ガスシフト(WGS)反応器及び優先酸化反応器(PR
OX)などの1つ又はそれ以上の下流反応器16も典型
的に備えており、これらは、従来技術の欄で前述したよ
うに、一酸化炭素から二酸化炭素への生成に使用され
る。好ましくは、水素、二酸化炭素及び水を含む最初の
改質ガスの流れは、許容可能なレベル、例えば20pp
m以下にCOレベルを減少させるため、優先酸化(PR
OX)反応器16で更に処理される。次に、駆動モード
の間、H2の豊富な改質物20は、バルブ31を通して
燃料電池22のアノードチャンバーに供給される。これ
と同時に、酸化剤の流れ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ーに供給される。
酸化剤の流れ24用の空気は、空気供給源、好ましく
は、コンプレッサ30により供給される。改質物の流れ
20からの水素及び酸化剤の流れ24からの酸素は、電
気を生成するため燃料電池22内で反応する。燃料電池
22のアノード側からの排出物即ち流出物26は、未反
応の水素を幾らか含む。燃料電池22のカソード側から
の排出物即ち流出物28は未反応の酸素を幾らか含む。
【0027】空気供給源(コンプレッサ30)からの空
気は、通常の作動条件下ではバルブ32によって燃料電
池22に向けられる。しかしながら、始動の間では、バ
ルブ32は、燃焼器34の入力通路に直接空気を提供す
るために付勢される。空気は、ライン46を介して供給
された燃料、好ましくは液体の炭化水素と反応するた
め、燃焼器34で使用される。燃焼器の熱は、燃料プロ
セッサ2の様々な部分を加熱するため使用される。
【0028】燃料プロセッサ2内で発生する反応の幾つ
かは、吸熱性であり、その結果、熱を必要とし、他の反
応は発熱性であり、熱の除去を必要とすることに着目さ
れたい。典型的には、PROX反応器16は、熱の除去
を必要とする。反応器14内の改質反応の一つ又はそれ
以上は、典型的には、吸熱性であり、熱が追加されるこ
とを必要とする。これは、典型的には、反応物、燃料
6、流れ8及び空気9を予め加熱することによって、及
び/又は選択された反応物を加熱することによって達成
される。
【0029】燃焼器34からの熱は、選択された導入反
応物、及び/又は、燃料プロセッサ2の反応器及び反応
器ベッドを加熱するため、ライン36を介して、差し向
けられる。燃焼器34は、必要に応じて、間接的な熱輸
送によって、選択された構成部品、燃料プロセッサ2内
の反応器及びベッドの加熱を達成する。典型的には、そ
のような間接的に加熱される反応器102は、入口10
3及び出口107を備えた反応チャンバーである(図
3)。反応チャンバー105の内部では、これらのベッ
ドは、キャリア部材基体110の形態にあり、各々は、
所望の化学反応を達成するための触媒的な活性材料を担
持する第1の表面を有する。第1の表面と反対側にある
第2の表面は、熱いガスからキャリア部材基体110へ
の熱輸送のため形成されている。望ましくは、温度モニ
ター「T」(図3)が、触媒ベッド112及び反応物ガ
ス103の温度を監視するため使用される。好ましく
は、温度モニターは、触媒ベッド112の温度を監視す
る熱電対である。更に加えて、燃焼器34は、燃料プロ
セッサ2への反応物質として供給される、燃料6、水8
及び空気9を予備加熱するため使用可能である。
【0030】燃料プロセッサ2に供給される空気9は、
反応器12の一つ又はそれ以上において使用され得るこ
とに着目されたい。反応器14がガソリン改質反応器で
ある場合、ライン9からの空気は反応器14に供給され
る。PROX反応器16もCOをCO2に酸化させるた
め空気を利用し、ライン9を介して空気供給源(コンプ
レッサ30)から空気を受け取る。
【0031】燃焼器34は、入口端部42、排出端部4
4及び両端部の間の触媒区分48を備えるチャンバー4
1を画成する。始動モードでは、炭化水素燃料は、燃焼
器の中に注入される。炭化水素燃料は、液体形態にある
場合、燃焼器へ注入される前、又は、燃焼器の一区分に
注入される前のいずれかで蒸発されて燃焼用の燃料とし
て分散させるのが好ましい。好ましくは液体炭化水素燃
料として開示されたが、炭化水素は、例えばガスなその
別の形態を取り得ることが理解されるべきである。蒸発
は、電気ヒーターによりなされ得る。一旦、システムが
作動し、燃焼器が加熱された場合、蒸発は、入ってくる
燃料を蒸発させるため燃焼器の排出物からの熱を使用し
て熱交換により発生させることができる。好ましくは、
燃料計量装置43は、炭化水素の燃料が燃焼器に提供さ
れる率を制御するため提供される。
【0032】炭化水素燃料46及びアノード流出物26
は、燃焼器34の触媒区分48内で反応され、この区分
は、燃焼器34の入口端部42及び出口端部44の間に
存在する。酸素は、バルブ32を介して空気供給源(即
ち、コンプレッサ30)、又は、例えばカソード流出物
の流れ28などの第2の空気の流れのいずれかから、シ
ステム作動状態に応じて、燃焼器34に提供される。バ
ルブ50は、燃焼器の排出物36が燃料プロセッサ2内
の反応物を加熱するため必要とされないとき、それを大
気に捨て去ることを可能にする。
【0033】図1及び上記説明から理解できるように、
炭化水素の燃料の流れ46は、燃料電池システムの遷移
状態及び定常状態の必要性に合致させるため、必要とさ
れるとき、燃焼器34のための燃料であるアノード流出
物26を増補する。幾つかの状況では、排気ガスは、大
気に解放される前に、レギュレータ38、停止バルブ1
40及びマフラー142を通過する。図1のシンボル
は、以下の通りである。「V」はバルブ、「MFM」は
流量計、「T」は温度モニター、「R」はレギュレー
タ、「C」は燃料電池のカソード側、「A」は燃料電池
のアノード側、「INJ」はインジェクタ、「COM
P」はコンプレッサ、及び、「P」は圧力モニターであ
る。
【0034】燃料プロセッサ2内の選択された反応器に
より要求される熱量は、燃焼器34により供給されるべ
きであり、燃料の量、水入力及び究極的には燃料プロセ
ッサ2内の所望の反応温度に依存する。前述したよう
に、ライン9を通過する空気も燃料プロセッサで使用さ
れることがあり、燃料及び水の導入と共に考慮されなけ
ればならない。燃料プロセッサ2の熱要求量を供給する
ため、燃焼器34は全てのアノード排気物即ち流出物及
び可能ならば幾らかの液体燃料を利用する。エンタルピ
ーの方程式が、燃焼器34の所望の熱必要量に合致させ
るように燃焼器34に供給されるべきカソード排気物即
ち空気の量を決定するために使用され、究極的には燃料
プロセッサ2の要求を満足させる。燃焼器34に提供さ
れる酸素又は空気は、典型的に燃料電池22のカソード
に供給される全酸素のうちある割合であるカソード流出
排気物28、及び、コンプレッサ30からの空気流れの
うち1方又は両方を備えている。これは、当該装置がコ
ンプレッサ空気流れが排他的に用いられる始動モードで
作動しているか或いはカソード流出物28及び/又はコ
ンプレッサ空気を使用した駆動モードのいずれかで作動
しているかに応じて定まる。駆動モードでは、カソード
流出物28によっては合致されない燃焼器34により必
要とされる空気全体、酸素、希釈剤は、燃焼器34及び
燃料プロセッサ2により各々要求される熱及び温度を満
足させるためのある一定量が、コンプレッサ30によっ
て供給される。空気の制御は、空気希釈バルブ47を介
して実行される。このバルブは、燃焼器34に供給され
るカソード排出物28の抜き取り量を制御するため可変
のオリフィスを有する、ステッパーモータ駆動型のバル
ブである。
【0035】燃料電池装置の上記例では、燃料電池装置
における燃焼器及び始動に関する作動は、次の通りとな
る。燃料電池装置が低温で始動するときの作動の開始時
において、(1)システムに必要となる空気を提供する
ためコンプレッサ30が外部電源(例えばバッテリー)
から付勢される電気モータによって駆動される。(2)
空気が燃焼器34に導入される。炭化水素燃料46(例
えばMeOH又はガソリン)が燃焼器34に注入され
る。(3)空気及び燃料が、燃焼器34内で反応し、そ
こで、ほぼ完全な燃料の燃焼がもたらされる。(4)燃
焼器34から出た高温排気ガスは、選択された構成要
素、例えば反応物6、8及び/又は9、並びに、燃料プ
ロセッサ2と連係した反応器12にライン36を介して
輸送される。
【0036】一旦、燃料プロセッサ2内の反応器が適切
な温度を達成した場合、改質プロセスが開始する。
(1)バルブ32が、コンプレッサ30からの空気を燃
料電池22のカソード側に差し向けるため作動される。
(2)燃料6及び水8及び/又は空気が、改質反応を開
始するため燃料プロセッサ2に供給される。(3)ライ
ン20を介して燃料プロセッサ2から出た改質物は燃料
電池22のアノード側に供給される。(4)燃料電池2
2からのアノード流出物26が燃焼器34に向けられ
る。(5)燃料電池22からのカソード流出物28が燃
焼器34に向けられる。(6)燃料46、空気、カソー
ド流出物28及びアノード流出物26が燃焼器34内で
燃焼される。好ましいシーケンスでは、工程(2)は、
燃焼器に直接空気を供給すると共に、最初に実行され
る。次に、水素の豊富な流れが適切に低いCOレベルを
有するとき、工程(1)及び(3)が実行され、引き続
いて工程(4)、(5)及び(6)が実行される。
【0037】幾つかの条件の下では、燃焼器34は、追
加の炭化水素燃料46の必要無しに、アノード及びカソ
ード流出物単独で作動することができる。そのような条
件の下では、燃焼器34への燃料の注入は中断される。
他の条件、例えば電力の要求を増加させる条件の下で
は、アノード流出物26(Aout)を増補するため燃
料46が燃焼器34に提供される。燃焼器34は、例え
ば、炭化水素燃料46、並びに、燃料電池22のアノー
ドからのアノード流出物26などの多数の燃料を受け取
る。燃料電池22のカソードからの酸素を使い果たした
排出空気28及びコンプレッサ30からの空気も、燃焼
器34に供給される。
【0038】本燃料電池システムの一例によれば、図1
に示されたコントローラ150は、図1に示されたシス
テムの様々な態様の作動を制御する。コントローラ15
0は、任意の適切な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などから構成するこ
とができ、これは制御プログラム及びメモリ中に格納さ
れたデータを実行することが可能な中央処理ユニットを
有する。コントローラ150は、図1の任意の構成要素
に特化した専用コントローラであってもよく、或いは、
主要な車両用電子制御モジュールに格納されたソフトウ
ェアで実行されてもよい。更に、ソフトウェアベースの
制御プログラムが上述したように様々な作動モードにお
けるシステム構成要素を制御するため利用可能である
が、このような制御は専用の電子回路によって部分的又
は全て実行されてもよいことが理解されよう。コントロ
ーラ150は、インジェクタ43を制御し、これによっ
て燃焼器34に供給される炭化水素燃料の率を調整す
る。コントローラ150は、圧力及び温度などのシステ
ム内の様々なパラメータも監視する。好ましくは、コン
トローラ150は、燃焼器34への燃料の供給を制御す
るため、インジェクタ43の作動を調整する。
【0039】好ましい実施形態では、燃料電池システム
は、車両推進システム60(図2を見よ)の一部分とし
て燃料電池22を含む。ここでは、燃料電池システム外
部の回路の一部分60は、バッテリー62、電気モータ
64、及び、駆動用電子機器を含む。この駆動用電子機
器はインバータ65を含み、燃料電池システム、特に燃
料電池22と連係された直流から直流への(DC/D
C)コンバータ61から電気エネルギーを受け取り、そ
れをモータ64により生成される機械的エネルギーに変
換するように構成及び配置されている。バッテリー62
は、燃料電池22により供給された電気エネルギーを受
け取ってこれを蓄え、再生成の空白期間の間にモータ6
4により供給された電気エネルギーを受け取ってこれを
蓄え、及び該電気エネルギーをモータ64に提供するた
め構成及び配置されている。モータ64は、車両(図示
せず)の車輪を回転させるため駆動車軸66に連結され
ている。電気化学的エンジン制御モジュール(EEC
M)70及びバッテリーパックモジュール(BPM)7
1は、例えばスタックの電圧及び電流を含む様々な作動
パラメータを監視するが、これらのパラメータに限定さ
れるものではない。このことは、例えば、バッテリーパ
ックモジュール(BPM)71によって又はBPM71
及びEECM70の両方によって、BMP71により監
視される状態に基づいて車両コントローラ74に出力信
号(メッセージ)を送るため、なされる。車両コントロ
ーラ74は、電気モータ64、インバータ65を含む駆
動用電子機器、DC/DCコンバータ61を制御し、E
ECM70からの電気パワーレベルを要求する。
【0040】燃料プロセッサ2が水素を生成する前にシ
ステムを始動させるため、燃焼器34が最初に始動され
る。燃焼器は、好ましくは液体炭化水素燃料である外部
燃料46の使用によって典型的に加熱される。そのよう
な炭化水素燃料46は、燃料プロセッサ内の反応物とし
て使用される燃料6と同じであるか、又は、異なってい
るかのいずれであってもよい。コンプレッサ30による
空気の配給及びインジェクタ43を通した燃料46の配
給は、始動モードを開始させる。コンプレッサ30は空
気の流れを提供し、インジェクタ43は、燃焼器34へ
液体炭化水素燃料を提供する。燃焼器34は、燃料を熱
に転化し、この熱をライン36を通して燃料プロセッサ
2に配給する。燃料プロセッサ2では、当該熱は、導入
された反応物、燃料6、水8及び/又は空気を予め加熱
し、更に必要に応じて選択された反応器12を予め加熱
するためにも使用される。そのような予備加熱は、燃料
プロセッサ2内部の適切な熱交換器(図示せず)を使用
して間接的な熱輸送によって典型的になされる。
【0041】燃料プロセッサ2が加熱された後、好まし
くは、反応物の一つとして言及される炭化水素燃料6
が、燃料プロセッサ2に注入される。炭化水素反応物6
は、炭化水素反応物を水素(H2)の豊富な流れに転化
するため、水8(流れ)、空気又はその両方と反応され
る。水素の豊富な供給流れは、例えば水、一酸化炭素及
び二酸化炭素などの他の構成要素も含む。これらのガス
は、前述したように、最終的にはライン10を通って燃
料電池スタック22に流れる。
【0042】駆動モードの間でさえ、スタック22は、
燃料プロセッサ2により生成された水素供給流れの全て
を消費せず、水素供給流れの一部分は、スタック22を
通過し、燃焼器34に流れ込む。この一部分は、流出物
と称される。燃焼器34は、このポイントで水素の豊富
なスタック流出物及びインジェクタ43を通して提供さ
れた液体炭化水素燃料46の両方を受け取る。液体燃料
は、燃料プロセッサの温度に従って調整される。インジ
ェクタ43を通して注入される液体燃料46の量が調整
される。それが、アノード流出物26を最初に含む水素
の加熱値を使用するため好ましいからである。液体燃料
は燃料プロセッサ温度に基づき必要に応じて増補され
る。
【0043】幾つかの因子が、燃料電池、燃料プロセッ
サ及び燃焼器の間の関係に影響を及ぼす。燃焼器により
生成される熱、燃料プロセッサにより要求される熱及び
燃料プロセッサによる水素の豊富な供給流れの消費は、
全てシステム作動の間の変動に曝されている。更に詳し
くは、燃料プロセッサ2による水素の豊富な供給流れの
生成、及び、スタック22によるそのような流れの消費
は、燃焼器34に利用可能な水素の量に影響を及ぼす。
燃焼器34に利用可能なそのような水素の量に影響を及
ぼすシステム内の他の因子、例えば、水素の流れの迂
回、又は、燃料プロセッサ2内の触媒ベッド112の低
下なども存在する。
【0044】上記説明から、燃焼器に注入される液体燃
料は、必要に応じて水素(H2)を増補するので、時間
軸上の様々なポイントで、必要とされるそのような注入
燃料の量を決定しなければならないことが理解できよ
う。そのような量は、燃焼器に提供される水素の量に依
存する。燃焼器に提供される水素の量は、推測に基づい
ている。換言すれば、燃料プロセッサが水素を作ると
き、燃料プロセッサにより作られる水素の量は、典型的
には、測定されるというよりもむしろ推定される。従っ
て、燃料プロセッサからスタックに送られる水素の量
は、通常、推定量である。更に、電力を生成するためス
タックにより消費される水素の量は、典型的には、測定
されるというより推定される。従って、燃焼器により最
終的に受け取られる水素の量は、2つの推定値に基づい
ている。燃料プロセッサにより生成される水素の予測流
量と、スタックによる予測水素消費量と、が存在し、こ
れらの差によって燃焼器に送られる水素燃料の予測量が
存在する。燃焼器に提供される水素の量と、これとの差
によって燃焼器により必要とされる増補の炭化水素燃料
の量とを予測する、そのような方法は、システムが公称
モードで機能している限り、良好に機能する。ここで、
名目上、燃料プロセッサによる水素生成、スタックによ
る消費、燃焼器に供給される量は、全て、確立された及
び/又は予測可能な範囲即ち一定の関係内にある。
【0045】しかしながら、水素の迂回、燃料プロセッ
サの触媒ベッドの汚染又は他の出来事など、システム内
部で変動が生じた場合、困難が生じる。この状況では、
燃焼器により受け取られた水素の量は、予測されたより
も低くなり得る。水素の生成が予測されるよりも高い場
合のシナリオを想定することも可能であるが、本発明
は、主要には、燃焼器により受け取られた水素の量が予
測されたよりも低くなる状況に向けられている。そのよ
うな状況が発生した場合、一般に、燃料プロセッサの触
媒ベッドの温度が比較的低い温度にある早期の段階であ
ることは明白であろう。これらの事象のシーケンスは以
下の通りとなる。燃焼器は、より少ない燃料を受け取っ
て始動する。即ち、燃焼器により受け取られる水素の量
は、幾つかの理由のため減少する。燃焼器への空気流れ
の制御は、燃焼器の温度が低下しないように、該燃焼器
への燃料の流れの新しいレベルに従って調整される。し
かし、燃焼器に供給される燃料の形態で入力されるエネ
ルギーのトータルの量は比較的低い。従って、燃焼器は
その内部温度を維持するように持続するが、燃焼器の熱
出力は、減少される。その結果、燃料プロセッサのある
一定の部分の間接的な熱輸送による抽出用に利用可能な
熱量は、より少なくなる。
【0046】燃焼器及び燃料プロセッサの作動のモード
の特定の分析によって、燃焼器への水素の配給が予測さ
れたよりも少なくなる場合、燃焼器の温度は、必ずしも
低下するわけではないが、燃焼器により燃料プロセッサ
に供給される熱エネルギーの量は、少なくなり、燃料プ
ロセッサの触媒ベッドの低温度状態は、通常予測される
ものとは異なる作動状態の前兆であると決定された。触
媒ベッド温度のそのような減少への応答は、燃料プロセ
ッサが冷え始めたことを示す出力信号の生成である。こ
の状況への応答は、燃焼器への炭化水素液体燃料(増補
の燃料)の量の増加である。これは、燃焼器が、燃料プ
ロセッサへの熱エネルギーの量を増加させて供給するこ
とを可能にする。しかし、システムが、触媒ベッド温度
の減少に基づいて増補の燃料流れの量を増加させること
を可能とされる場合、システムは、特定の診断がなされ
ることなく、問題に応答することを可能とされる。例え
ば、そのような閉ループ修正は、燃料プロセッサ温度の
低下を補償するため燃焼器への増補の燃料流れを増加さ
せるが、理解できるように、増補の燃料の注入は、増加
量が注入されるまで続行される。従って、燃焼器34内
に注入される増補燃料量は、所定値又は所定範囲内の値
と比較する必要がある。従って、本発明の方法によれ
ば、燃料プロセッサの構成要素、好ましくは触媒ベッド
112の低温度の存在を警告し、信号を提供することが
可能となる。低温度という問題の存在を警告し、更に、
一定の制限内で増補の燃料を注入し、次いでそのような
調整が所定範囲外に落ちたとき信号を生成することの両
方をなすことも可能である。従って、本発明の方法は、
燃料プロセッサ2の低温度問題の存在を信号出力すると
共に、温度を調整し増補燃料量が予測値又は所定値を超
えた場合に信号を出力するためインジェクタ43により
注入された増補の燃料を供給開始又は増加することによ
って、そのような低温度状態に応答するという柔軟性を
提供する。手短に言えば、本発明は、温度低下の事象即
ち比較的低い温度状態であることを信号出力し、修正処
置を取り、当該修正処置が適切であるか否かを決定する
能力を提供する。
【0047】一例として、そのような修正処置のシーケ
ンスは以下の通りとなる。増補の燃料注入率が、インジ
ェクタ43において、2gms/秒に設定されたと仮定
しよう。注入された燃料はメタノール又はガソリンであ
る。コントローラが、燃料プロセッサ2の触媒ベッド1
12の温度が、予測された名目の作動温度と比較して5
℃のオーダーで低下したことを検出する。その結果、信
号が送られる。その後、修正処置が取られる。例えば、
7gms/秒の注入率で燃料注入を実行してもよい。次
に、コントローラは、7gms/秒の新たな注入率がシ
ステムの所定モードの作動に基づいて許容できるか否か
を判定する。7gms/秒の注入率が許容可能な所定範
囲内にあるか、又は、所定の最大値以下である場合、当
該修正処置が維持される。しかし、7gms/秒の注入
率が所定範囲外にあるか、又は、所定の最大値を超えた
場合、例えばシステムにかかる負荷を減少させ、又は、
システムを停止させるため、他の修正処置を取ることが
必要となり得る。一連の修正的調整は、注入の増加レベ
ルが所定範囲外にあるか又は所定の最大値を超えると判
定される前まで、インジェクタ43における燃料注入率
においてなすことができることは明らかである。
【0048】要約すると、燃料電池システム内の燃料プ
ロセッサ2の温度を監視し、燃プロセッサ2の監視され
た温度に従って、燃焼器34に供給される増補の燃料量
を制御するための独自の方法及び装置が開示された。本
発明に係る監視及び制御の方法及び装置は、燃料プロセ
ッサの低温度状態を判定し、そのような低温度状態であ
ることを信号出力し、更に、燃焼器に注入される増補の
燃料量を供給開始又は増加させることによってそのよう
な低温度状態に応答して修正処置を取るため特に有用で
ある。本発明は、低温度状態の判定及び燃料注入の供給
開始若しくは増加に適合されるとき特に有用性を持って
いるが、比較的高い温度状態が観察され、増補の燃料の
減少若しくは終了が適切であるとき、本発明の範囲内で
類似の調整をなすことは、当業者にとって明らかであろ
う。いずれにしても、最も広い態様では、本発明は、燃
料プロセッサ2内部の温度状態を監視し、燃料プロセッ
サの温度に従って、燃焼器34への増補燃料量を調整す
る能力を提供する。本発明は、その後、増補の燃料量を
所定値若しくは所定範囲の値と比較する能力を提供す
る。
【0049】本発明は、その幾つかの実施形態の観点で
説明されたが、本発明は、上記例に限定されるものでは
なく、請求の範囲によってのみその範囲を限定される。
独占排他的な権利が請求される本発明の実施形態は、請
求の範囲で画定される。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明に従って作動される、燃焼器、
燃料プロセッサ及び燃料電池スタックを含む燃料電池シ
ステムを示す図である。
【図2】図2は、利用用途の手段に接続された、図1の
燃料電池スタックの図である。
【図3】図3は、反応器の内部区分の部分斜視図であ
る。
【符号の説明】
2 燃料プロセッサ 6 燃料の流れ 8 H2Oの流れ 9 空気の流れ 12、14 燃料改質反応器 16 シフト反応器、優先酸化反応器 20 H2の豊富な改質物 22 燃料電池 24 酸化剤(空気;酸素)の流れ 26 アノード流出物 28 カソード流出物 30 コンプレッサ 31 バルブ 32 バルブ 34 燃焼器 36 燃焼器の排出物 38 レギュレータ 41 チャンバー 42 入口端部 43 インジェクタ(燃料計量装置) 44 出口端部 46 炭化水素燃料 47 空気希釈バルブ 48 触媒区分 50 バルブ 60 車両推進システム 61 DC/DCコンバータ 62 バッテリー 64 モータ 65 インバータ 66 駆動車軸 70 電気化学的エンジン制御モジュール 71 バッテリーパックモジュール 74 車両コントローラ 102 反応器 103 反応物ガスの入口 105 反応チャンバー 107 出口 110 キャリア部材基体 112 触媒ベッド 140 停止バルブ 142 マフラー 150 コントローラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブルース・ジェイ・クリンガーマン アメリカ合衆国ニューヨーク州14522,パ ルマイラ,ルート・トゥエンティーファー スト・ノース 1855

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃料電池システム内の燃料プロセッサを
    加熱するため燃焼器を作動させる方法であって、該燃料
    プロセッサは、水素の豊富な流れを生成し、該流れの一
    部分は燃料電池スタックで消費され、該流れの他の一部
    分は該燃料電池スタックから排出されて前記燃焼器に供
    給され、第1及び第2の流れが前記燃焼器に供給され、
    該第1の流れは炭化水素の燃料流れであり、該第2の流
    れは前記水素の豊富な流れからなり、 前記方法は、 前記燃料プロセッサの温度を監視し、 前記燃料プロセッサの温度に従って前記燃焼器への前記
    第1の流れの量を調整し、 前記第1の流れの量を所定値又は所定範囲に亘る値と比
    較する、各工程を含む方法。
  2. 【請求項2】 前記燃料プロセッサの温度の減少に応答
    して、前記燃焼器への前記第1の流れの量を増加させる
    工程を更に含む、請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 前記第1の流れの量が前記所定値又は所
    定範囲に亘る値と異なっているとき出力信号を生成する
    工程を更に含む、請求項1に記載の方法。
  4. 【請求項4】 前記出力信号が生成されたとき、前記燃
    料電池スタックの作動を終了させる工程を更に含む、請
    求項3に記載の方法。
  5. 【請求項5】 前記出力信号を一定期間に亘って遮蔽
    し、該出力信号の出力期間が前記一定期間を超えたとき
    前記燃料電池スタックの作動を終了させる工程を更に含
    む、請求項4に記載の方法。
  6. 【請求項6】 前記第1の流れの量が前記所定値より大
    きい場合、出力信号を生成する工程を更に含む、請求項
    1に記載の方法。
  7. 【請求項7】 前記第1の流れの量が前記所定範囲に亘
    る値以外の値である場合、出力信号を生成する工程を更
    に含む、請求項1に記載の方法。
  8. 【請求項8】 前記第1の流れは、前記第2の流れが前
    記燃焼器に供給される前に、前記燃焼器に供給され、該
    第1の流れの供給量が前記燃料プロセッサの温度の増加
    に応答して減少される、請求項1に記載の方法。
  9. 【請求項9】 前記燃料プロセッサは、触媒ベッドを有
    する反応器を含み、監視される前記温度は、該触媒ベッ
    ドの温度である、請求項1に記載の方法。
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