JP2001243967A - 過渡的な負荷変化の間に、燃焼器の温度を制御するための方法及び装置 - Google Patents

過渡的な負荷変化の間に、燃焼器の温度を制御するための方法及び装置

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ブルース・ジェイ・クリンガーマン
Robert W Chalfant
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 全ての負荷条件の下で特に動的な燃料電池シ
ステムの作動中に燃焼器の温度を制御する。 【解決手段】 燃料電池システム内で燃焼器の温度を制
御するための方法及び装置は、燃焼器への空気入口と並
列に接続された高速作動バイパスバルブを備える。所定
量の余剰空気が空気源から直列に接続された燃料電池及
び燃焼器に供給される。所定量の余剰空気が、燃料電池
上の負荷がゼロであるとき燃料プロセッサの始動の間に
燃焼器の温度を制御するため、燃料電池作動中の任意の
温度遷移と適応するため、十分な量で提供される。

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、燃料電池用のＨ2の豊富なガス
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、酸素が酸化剤とし
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、燃料電池を燃料
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。この解離反応は、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１つの区画は、主として部分
酸化反応器（ＰＯＸ）であり、他方の区画は、主として
蒸気改質器（ＳＲ）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。水／ガスシ
フト反応器（ＷＧＳ）及び優先酸化反応器（ＰＲＯＸ）
などの下流の反応器は、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）から二酸化炭素
（ＣＯ2）を生成するため使用される。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。
【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日に登録された米
国特許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】上述の典型的な燃料電池システムでは、コ
ンプレッサ又は他の空気源は、多数の個々の燃料電池を
含む燃料電池スタック及び燃焼器に空気を供給する。ス
タックは、電気を生成するため空気及び水素を使用す
る。
【０００８】しかし、スタックは、それが電流アンペア
数の要求即ち負荷に基づいて消費するよりも多くの空気
流れを必要とする。他方で、燃焼器は、適切な作動温度
を維持するため正確な両の空気を必要とする。燃焼器を
通過して流れる空気は、燃焼器に供給される燃料即ち水
素が変化するとき変化しなければならない。しかし、燃
料プロセッサは、負荷が落ちたり、燃焼器への水素の流
れが過渡的に上昇するようにミリ秒単位では、停止する
ことができない。空気の流れが燃料の水素流れ率と同じ
率で変化しない場合には、燃焼器は、直ちに過熱し得
る。
【０００９】燃料電池システムの効率的な作動は、全て
の負荷状態の間、特に過渡的な負荷変化の間に燃焼器の
温度を効率的に制御する能力に部分的に依っている。こ
の効率的な作動は、改質燃料の要求及びかくして燃焼器
の出力要求が、燃料電池に課された変化する負荷に従っ
て変動する、車両の燃料電池システムの過渡的な作動の
間に特に困難となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従って、特に動的な燃
料電池システムの作動の間で燃焼器の温度を制御するた
めの方法及び装置を提供することが望ましい。燃焼器へ
の保有量の空気の供給を制御することによって、全ての
負荷条件の下で燃焼器の温度を制御するための方法及び
装置を提供することも望ましい。現存する燃料電池シス
テムで容易に実施することができる、燃焼器の温度を制
御するための方法及び装置を提供することも望ましい。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、空気源即ちコ
ンプレッサからの別個の空気流れと共に燃料電池のカソ
ード出口から未使用の酸素が燃焼器に供給される、燃料
電池装置内で、燃焼器の温度を制御するための方法及び
装置に関する。
【００１２】本発明の一態様では、本制御方法は、燃料
電池のカソード流出物の出口を燃焼器に接続し、燃料電
池を通る空気流れ経路、及び、燃焼器を通る空気流れ経
路を、空気供給源と直列に接続し、空気供給源から燃料
電池及び燃焼器へ所定の余剰空気を供給し、該余剰空気
は、該燃料電池及び該燃焼器により作動中に消費される
空気のうち余った空気であり、燃焼器への空気流れ経路
に空気流れバイパス経路を設け、全ての負荷条件の下で
燃焼器の温度を制御するため該燃焼器をバイパスする余
剰空気の量を制御する、各工程を含む。
【００１３】本発明の別の態様では、余剰空気を供給す
る工程は、燃料プロセッサの始動の間では第１の所定量
で、燃料プロセッサが公称駆動状態に到達したとき第２
の所定量で燃焼器をバイパスする余剰空気を供給する工
程を含む。好ましくは、燃料プロセッサが始動時から駆
動時まで遷移する間に、燃焼器をバイパスする所定の余
剰空気の量が、第１の所定量から第２の所定量までゆっ
くりと減少される。
【００１４】余剰空気を供給する工程は、高速応答空気
バイパスバルブを、燃焼器への空気流れ入口と並列に接
続することによって実施される。別の態様では、コンプ
レッサによって供給される空気要求量は、負荷空気要求
量とカソードラムダとの積、並びに、燃焼器の空気要求
量と空気ラムダとの積のうち大きい方である。該カソー
ドラムダは、スタックにより消費される酸素に対する該
燃料電池スタック及び該燃焼器に送られた酸素の比であ
り、該空気ラムダは、燃焼器に送られた空気に対する該
燃焼器及び空気バイパスバルブに送られた全空気の比で
ある。
【００１５】本発明の別の態様では、制御装置は、燃焼
器に接続された燃料電池のカソード流出物の出口を備え
る。燃料電池を通る空気流れ経路及び燃焼器を通る空気
流れ経路とが、空気供給手段と直列に接続される。空気
供給手段から燃料電池及び燃焼器に所定の余剰空気を供
給するための手段が提供される。該余剰空気は、該燃料
電池及び該燃焼器により作動中に消費される空気のうち
余った空気である、空気流れバイパス経路が燃焼器の回
りに形成される。最終的には、任意の負荷条件の下で前
記燃焼器の温度を制御するため該燃焼器をバイパスする
所定の余剰空気の量を制御するための手段が設けられ
る。
【００１６】本発明の特定の態様では、制御手段は、燃
料プロセッサの始動の間では燃焼器をバイパスする余剰
空気を第１の所定量で供給し、該燃料プロセッサが公称
駆動状態に到達したとき余剰空気を第２の所定量で供給
するように空気供給手段を制御する。好ましくは、空気
の第２の所定量は、第１の所定量より小さい。制御手段
は、燃料プロセッサが始動時から駆動時まで遷移する間
に、燃焼器をバイパスする所定の余剰空気の量を、第１
の所定量から第２の所定量までゆっくりと減少させる。
【００１７】一態様では、余剰空気を供給するための手
段は、燃焼器への空気流れ入口と並列に接続された高速
応答空気バイパスバルブを更に含む。本発明の制御方法
及び装置は、燃料電池に負荷がかけられていない始動
時、並びに、燃料電池の負荷が迅速に変化する公称作動
状態即ち駆動条件の間を含む全作動条件即ち全負荷条件
の下で、燃料電池装置内の燃焼器の温度に亘って独自の
制御を提供する。本進歩的な制御方法及び装置は、空気
の緩衝即ち余剰供給が、通常の量より多い水素燃料が燃
料電池から燃焼器に迅速に供給されるとき燃焼器内の過
熱温度を防止するため燃焼器に容易に利用可能であるこ
とを確実にする。
【００１８】本進歩的方法及び装置は、燃焼器の作動温
度が、効率的に直列接続された燃料電池及び燃焼器の構
成で制御されることを可能にする。加えて、経済的で小
型の低速応答空気源即ちコンプレッサを用いることがで
きる。本進歩的方法及び装置は、燃焼器に供給される燃
料の高い変化率にも係わらず、燃焼器に課された遷移的
な空気要求量に適用するため、燃料電池内に十分な量の
空気が存在しているからである。
【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】本発明は、燃料電池システム、例
えば以下に例でのみ説明する車両を推進する動力源とし
て使用される燃料電池システムなどの全負荷条件の間に
燃焼器温度を制御するための方法及び装置である。
【００２１】本発明の特徴及び効果は、例によってのみ
図１に示された燃料電池システムを参照して更に理解さ
れよう。従って、本発明を更に説明する前に、本発明を
実施することができる燃料電池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、炭化水素は、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内で処理
される。従って、水素の豊富な、比較的高い水素含有量
を持つ改質物が基準とされる。
【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、燃料プロセッサは、例えば水／ガ
スシフト（ＷＧＳ）反応器及び優先酸化反応器（ＰＲＯ
Ｘ）などの１つ又はそれ以上の下流側反応器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、一酸化炭素及び水
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２０ｐｐｍ以下にＣＯレベルを減少させるため、優
先酸化（ＰＲＯＸ）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。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。
【００２７】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。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。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３
２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１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、始動の間、燃料プ
ロセッサ２内の選択された反応器及び反応器ベッドを加
熱する。燃焼器３４は、必要に応じて、間接的な熱輸送
によって、燃料プロセッサ２内の選択された反応器及び
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は、入口及び出口を備えた反応チ
ャンバーである。反応チャンバーの内部では、これらの
ベッドは、キャリア部材基体の形態にあり、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への熱輸送
のため形成されている。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、
１つ又はそれ以上の反応器１２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。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。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】理解できるように、炭化水素の燃料の流れ
４６は、燃料電池装置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１４０及びマフラー１４２を
通過する。図１では、シンボルは、以下の通りとなる。
「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」
はインジェクタ及び「ＣＯＭＰ」はコンプレッサであ
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
び可能ならば炭化水素燃料を利用する。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パーセンテージを占めるカソ
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、若しくは希釈剤
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、その作動は、
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、燃料プ
ロセッサ２と連係した選択された反応器１２に輸送され
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。この
プロセスは次の工程を含む。（１）バルブ３２が、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）燃料及び水が、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）燃料プロセッサ２か
ら出た改質物が燃料電池２２のアノード側に供給され
る。（４）燃料電池２２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、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。
【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、増補の燃料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、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。
【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、外部回路６０の一部
分は、バッテリー６２、電気モータ６４、及び、これに
連係する駆動用電子機器６５を含む。この駆動用電子機
器は、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／ＤＣ）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６４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（ＥＥＣＭ）７０及びバッテリーパ
ックモジュール（ＢＰＭ）７１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６
４、駆動用電子機器６５、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１及
びインバータ６５を制御し、ＥＥＣＭ７０からの電気パ
ワーレベルを要求する。
【００４０】図１に示された本燃料電池装置の構成で
は、燃料電池スタック２２は、燃焼器３４と直列に接続
されている。即ち、酸素を抜き取られた空気を含む、燃
料電池２２のカソード出口側からの排気物即ち流出物２
８が燃焼器３４に入力される。同様に、燃料電池２２の
アノード出口側からのアノード流出物２６も、燃焼器３
４に入力される。図示しないインジェクタを通して、増
補の燃料も、始動の間、又は、アノード流出物の出力が
公称レベル以下である場合に、可燃性燃料を提供するた
め燃焼器３４に供給され得る。
【００４１】燃料電池スタック２２及び燃焼器３４の間
の直列接続は、コンプレッサ３０が、空気の全てを、燃
料電池スタック２２及び燃焼器３４に供給しなければな
らない場合における空気供給手段即ちコンプレッサ３０
のエネルギー要求を有意に減少させる。典型的には、現
在の燃料電池の設計は、燃料電池スタック２２が、与え
られた負荷即ちアンペア数の要求量に対して必要とされ
る酸素より多くの（空気中の）酸素流れを必要とするよ
うになされている。この余剰の酸素の流れは、カソード
ラムダ即ちλｃと呼ばれ、これは典型的には約２とな
る。このことは、燃料電池スタック２２が、与えられた
アンペア数即ち負荷要求量に対して必要とされる酸素の
２倍の量を得るということを意味する。燃料電池スタッ
ク２２は、該スタックを通過した酸素流れの全てを消費
しないので、効率的な燃料電池システムの設計では、燃
料電池スタック２２が、図１及び図３に示すように燃焼
器３４と直列に配置される。
【００４２】燃料電池スタック２２は、酸素を消費する
が窒素を消費せず、その結果、燃料電池スタック２２か
ら出た空気は、通常の空気より窒素に対する酸素の比率
が低い。しかし、本発明の目的のため、燃料電池スタッ
ク２２からのカソード流出物２８は、なお「空気」と称
される。
【００４３】更に、典型的な作動条件の下では、カソー
ド流出物即ち燃料電池スタック２２から出た空気も、燃
焼器３４の空気の要求量を超えている。燃焼器３４の過
冷却を防止するため、高速作動空気バイパスバルブ４７
が、カソード流出物２８の入力流れにおいて燃焼器３４
に接続されており、燃焼器３４に供給された空気から不
必要な空気を逸らせ、又は大気中に排気する。
【００４４】燃焼器３４は、適切な作動温度を維持する
ため正確な量の空気を必要とする。燃焼器３４への低い
空気流れにより引き起こされた燃焼器３４内の超過高温
度は、燃焼器３４を直ちに過熱させ、これは該燃焼器３
４の作動の劣化へと導き得る。かくして、燃焼器３４へ
の空気の流れは、燃焼器３４への燃料変化に比例して変
化しなければならない。例えば図１及び図３に示された
ような典型的な燃料電池構成では、燃焼器３４に供給さ
れる水素燃料量は、負荷が燃料電池２２上で変化すると
きミリ秒単位で変化することができる。例えば、水素の
２４ｋＷ（与えられた水素量のキロワット換算値として
表された）が燃料電池２２に供給された場合、燃料電池
２２上の電気的負荷は２０ｋＷを消費し得る。残りの４
ｋＷは、燃焼器３４に行く。再生成の空白期間が発生し
た場合、燃料電池２２の出力は、再生成のエネルギー捕
捉の間でインバータ／コンバータ６５に負荷をかけ過ぎ
ることを防止するため、１５ｋＷまで低下しなければな
らない。負荷が落ちたとき燃料プロセッサ２２はミリ秒
単位で停止することができず、燃料電池出力の２０ｋＷ
から１５ｋＷまでの強制的な降下に起因して燃焼器３４
への水素流れは一時的に約９ｋＷ（前の４ｋＷに新たに
５ｋＷが加算される）まで上昇する。燃焼器３４への水
素流れの上昇と同じ率で上昇する空気の流れが無い場
合、燃焼器３４内の超過温度が直ちに発生し得る。
【００４５】更に、水素配給システムが水素の流れをミ
リ秒単位で下降することができないのと同じように、コ
ンプレッサ３０は、空気の流れをミリ秒単位で上昇させ
ることができない。予備の空気がそのような遷移状態の
ために利用可能でなければならない。
【００４６】この問題に取り組むため、本発明の制御方
法及び装置は、空気ラムダ即ちλai rと呼ばれる少量の
空気が高速作動バルブ４７を通過することを保証する。
本発明の制御方法及び装置は、空気の要求量を、要求さ
れた負荷空気×λｃ又は要求された燃焼器空気×λair
のうちより大きい方となるように制御することによっ
て、空気供給手段即ちコンプレッサ３０に課された空気
要求量を制御する。
【００４７】ほとんどの場合には、λｃは、全ての遷移
の間に燃焼器３４を安全に保つため十分に余剰の空気を
供給する。しかし、負荷がゼロに等しいときの始動時を
含む幾つかの条件では、燃焼器３４は、コンプレッサ３
０への空気コマンドを制御する。空気λairは、燃焼器
の過熱を防止するため空気の用意の緩衝を提供する。
【００４８】空気λairは、通常の作動の間より始動の
間に別個の値を持たなければならない。始動の間には、
最初に燃焼器３４が燃料プロセッサ２を暖めるためオン
にされる。燃料プロセッサ２は未だ作動していないの
で、燃焼器３４の始動燃料供給態様は、通常の作動での
態様と異なっている。このようにして、蓄えられた水素
又は燃焼器３４へ直接注入される液体燃料は、燃料プロ
セッサ２の出力がゼロであるとき、燃焼器３４の始動燃
料供給のため提供される。
【００４９】始動の手続きに係らず、燃焼器３４の始動
燃料供給から通常の燃料プロセッサで配給される燃料供
給への遷移が発生しなければならない。これによって、
燃料電池２２のアノード排気物から出力される余剰の燃
料λａが燃焼器３４への燃料源として供給される。燃料
プロセッサ２が、水素を生成し始めたとき、配管及び他
のシステムの特徴は、水素が燃焼器３４に到達する前に
遅延を発生させる。これは、始動燃料源を如何にゼロま
で低下させるかを予測することを困難にさせる。空気の
より大きな緩衝は、遷移状態の間の可能な燃料の相違を
克服することを援助する。遷移状態の間には、燃焼器３
４の温度が突然上昇した場合、空気バイパスバルブ４７
は、燃焼器３４を通常の作動温度にまで冷却させるため
（燃焼器３４の回りでより少ない空気をバイパスして）
燃焼器３４に十分な空気を提供するのに十分な容量以上
を有する。
【００５０】臨界的な遷移即ち始動状態の間に、空気ラ
ムダλairは約１．３であり、これは、３単位の空気が
燃焼器３４を通って流れる１０単位の空気毎にバイパス
バルブ４７を通過することを意味する。一旦、燃料プロ
セッサ２が、正確に予測可能な態様で、燃料電池２２の
アノード排気物２６から燃焼器３４へ燃料即ち水素を供
給することを開始すると、空気ラムダλairは、コンプ
レッサ３０のエネルギーを保存するため１．１まで低下
される。始動空気ラムダλair（始動時）と、駆動空気
ラムダλair（駆動時）との間の切り替えは、ゆっくり
と行われる。その結果、要求された空気流れの変化と合
致させる上で比較的安価な低速のコンプレッサ３０を使
用することができる。λairに対する１．３及び１．１
の値は、特定のシステム特性と合致させるため調整する
ことができることに着目すべきである。
【００５１】燃焼器３４の過熱を防止するためコンプレ
ッサ３４に課された高速空気変化の要求と合致させるた
め高速作動コンプレッサが用いられるが、そのような高
速作動コンプレッサは、電力の要求を取り扱うため大型
で重いモータを必要とする。これは、コンプレッサのコ
スト及びパッケージングを、ほとんどの用途で、例えば
自動車の燃料電池システムなどで法外なものとする。小
型の高速作動空気バイパスバルブ４７の使用は、遥かに
経済的で、高速応答コンプレッサより小さいパッケージ
を提供する。
【００５２】本発明の制御方法及び装置は、コントロー
ラ１５０と連係されるメモリ及び／又はＥＥＣＭ７０内
に蓄えられたソフトウェア制御プログラムで実行される
のが好ましい。コントローラ１５０又はＥＥＣＭ７０
は、空気ラムダλairを１．３から１．１までゆっくり
と低下させる制御を行う。
【００５３】要約すると、全ての負荷条件の下、特に急
激な負荷の変化即ち遷移状態において、燃料電池システ
ムで燃焼器の温度を制御するための独自の方法及び装置
を開示した。本発明の制御方法及び装置は、現存する燃
料電池システム内で容易に実施することができ、燃料電
池スタック上の負荷変化に起因して燃焼器に課され得る
高速空気増加要求量と合致させるため、少供給量の予備
空気を空気源即ちコンプレッサから容易に利用可能であ
ることを確保することによって燃焼器の過熱を防止す
る。この空気の予備は、空気源即ちコンプレッサにより
燃焼器及び燃料電池スタックに通常供給される空気の所
定の余剰量の形態にあり、低速応答コンプレッサを減少
した製造コストのために使用することを可能にする。こ
れと同時に、燃焼器及び燃料電池スタックを、空気供給
源即ちコンプレッサ上のより少ないエネルギー要求のた
めに直列に接続することを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る燃焼器の温度制御方法及
び装置を利用することができる燃料電池システムを表す
ブロック図である。
【図２】図２は、利用用途の手段に接続された、図１の
燃料電池装置の図である。
【図３】図３は、本発明に係る燃焼器温度方法及び装置
のブロック図である。
【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 高速作動空気バイパスバルブ（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（外部回路） ６１ ＤＣ／ＤＣコンバータ ６２ バッテリー ６４ モータ ６５ 駆動用電子機器（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 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 ロバート・ダブリュー・チャルファント アメリカ合衆国ニューヨーク州14586，ウ エスト・ヘンリエッタ，ヤロー・ヒル 13

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料プロセッサが水素を生成し、燃料電
    池が水素を含むアノード流出物及び酸素を含むカソード
    流出物を放出する燃料電池装置内で、該燃料プロセッサ
    を加熱するため使用される燃焼器の温度を制御するため
    の方法であって、 前記方法は、 燃料電池のカソード流出物の出口を前記燃焼器に接続
    し、 前記燃料電池を通る空気流れ経路、及び、前記燃焼器を
    通る空気流れ経路を、空気供給源と直列に接続し、 前記空気供給源から前記燃料電池及び前記燃焼器へ所定
    の余剰空気を供給し、該余剰空気は、該燃料電池及び該
    燃焼器により作動中に消費される空気のうち余った空気
    であり、 前記燃焼器への空気流れ経路に空気流れバイパス経路を
    設け、 全ての負荷条件の下で前記燃焼器の温度を制御するため
    該燃焼器をバイパスする余剰空気の量を制御する、各工
    程を含む、前記方法。
  2. 【請求項２】 余剰空気を供給する前記工程は、 前記燃料プロセッサの始動の間では第１の所定量で、前
    記燃料プロセッサが公称駆動状態に到達したとき第２の
    所定量で前記燃焼器をバイパスする前記余剰空気を供給
    する工程を含む、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記燃焼器をバイパスする所定の余剰空
    気の量を、前記第１の所定量から前記第２の所定量まで
    ゆっくりと減少させる工程を更に含む、請求項２に記載
    の方法。
  4. 【請求項４】 前記余剰空気を供給する工程は、 高速応答空気バイパスバルブを、前記燃焼器への空気流
    れ入口と並列に接続する工程を更に含む、請求項１に記
    載の方法。
  5. 【請求項５】 前記燃料電池及び前記コンプレッサに空
    気を供給する空気供給手段は、 前記燃料電池により要求される負荷空気とカソードラム
    ダとの積、並びに、前記燃焼器の空気要求量と空気ラム
    ダとの積のうち大きい方で前記余剰空気を供給する工程
    に従い、 該カソードラムダは、前記スタックにより消費される酸
    素に対する該燃料電池スタック及び該燃焼器に送られた
    酸素の比であり、該空気ラムダは、前記燃焼器に送られ
    た空気に対する該燃焼器及び空気バイパスバルブに送ら
    れた全空気の比である、請求項４に記載の方法。
  6. 【請求項６】 燃料プロセッサが水素を生成し、燃料電
    池が水素を含むアノード流出物及び酸素を含むカソード
    流出物を放出する燃料電池装置内で、燃焼器の作動温度
    を制御するための装置であって、 前記装置は、 前記燃焼器に接続された燃料電池のカソード流出物の出
    口と、 直列に接続された、前記燃料電池を通る空気流れ経路及
    び前記燃焼器を通る空気流れ経路と、 前記燃料電池に接続された空気供給手段であって、該空
    気供給手段は、前記燃料電池及び前記燃焼器に所定の余
    剰空気を供給し、該余剰空気は、該燃料電池及び該燃焼
    器により作動中に消費される空気のうち余った空気であ
    る、前記空気供給手段と、 前記燃焼器への空気入口経路と並列に形成された空気流
    れバイパス経路と、 任意の負荷条件の下で前記燃焼器の温度を制御するため
    該燃焼器をバイパスする所定の余剰空気の量を制御する
    ための手段と、 を含む、前記装置。
  7. 【請求項７】 前記制御手段は、前記燃料プロセッサの
    始動の間では前記燃焼器をバイパスする余剰空気を第１
    の所定量で供給し、該燃料プロセッサが公称駆動状態に
    到達したとき前記余剰空気をより低い第２の所定量で供
    給するように作動する、請求項６に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記制御手段は、前記燃焼器をバイパス
    する所定の余剰空気の量を、前記第１の所定量から前記
    第２の所定量までゆっくりと減少させる、請求項７に記
    載の装置。
  9. 【請求項９】 前記燃焼器への空気流れ入口と並列に接
    続された高速応答空気バイパスバルブを更に含み、該空
    気バイパスバルブは、前記燃焼器をバイパスする余剰空
    気の量を制御するための前記制御手段に応答する、請求
    項６に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記空気供給手段は、 負荷空気要求量とカソードラムダとの積、並びに、前記
    燃焼器の空気要求量と空気ラムダとの積のうち大きい方
    で、該燃料電池及び該燃焼器に余剰空気を供給し、 該カソードラムダは、前記スタックにより消費される酸
    素に対する該燃料電池スタック及び該燃焼器に送られた
    酸素の比であり、該空気ラムダは、前記燃焼器に送られ
    た空気に対する該燃焼器及び空気バイパスバルブに送ら
    れた全空気の比である、請求項６に記載の装置。
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