JP2003529196A - 負荷管理機能を備えた燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
電池システムに関する。
スタックは燃料処理装置の生成物流から電流を生成する。例えば、燃料処理装置
は、水、炭素含有原料またはその両方等の通常の原料から酸素ガスまたは水素リ
ッチなガスを生成する。燃料電池スタックはこのように生成された酸素ガスから
電流を生成する。
池システムを示す。システム10は、燃料処理アセンブリ11および燃料電池ス
タック22を備える。燃料処理アセンブリ11は、適当な燃料処理装置12およ
び原料流16をその燃料処理装置へ搬送する原料流搬送システム17を備える。
燃料処理装置12は、燃料処理装置の原料を含む原料流16から水素ガスを含有
する生成水素流14を生成するように構成されている。
14を生成するための仕組みによって異なる傾向にある。例えば、燃料処理装置
12が、水蒸気または自熱改質によって生成水素流14を生成する場合、原料流
16は炭素含有原料18および水20を含む。燃料処理装置12が、炭素含有原
料を熱分解または触媒部分酸化することによって生成水素流14を生成する場合
、原料流16は炭素含有原料を含み水は含まない。燃料処理装置12が、電解に
よって生成水素流14を生成する場合、原料流16は水を含み炭素含有原料は含
まない。炭素含有原料の例としては、アルコール類および炭化水素類が挙げられ
る。原料流が水および水溶性の炭素含有原料を含む場合、原料流は、図1に示す
ような単一流となる。炭素含有原料が水に対して混和性が無い場合、それら水お
よび炭素含有原料は、図2に示すような別々の原料流にて搬送される。
流を生成するものである。燃料電池スタック22は、共通の端板23の間に一体
化された複数の燃料電池24を備え、燃料電池24は、図示されない流体搬送/
除去管を備えている。従来の燃料電池の例としては、プロトン交換膜(PEM)燃
料電池およびアルカリ燃料電池が挙げられる。燃料電池スタック22は、生成水
素流14の全てを受け取るようにしてもよい。幾らかのまたは全ての生成水素流
14は、追加的にまたは代替的に、別の水素消費処理における使用のために適当
な配管を通じて搬送され、燃料または熱として使用されるために燃焼され、また
は後の使用のために蓄えられる。
流26を生成する。この電流は接続された自動車、家または他の住居用或いは商
業用居住建物等のエネルギー消費装置28に電力を供給するために使用される。
各燃料電池24)は、水素イオンが透過してもよい電解膜またはバリア36によ
って隔てられた陽極(アノード)域32および陰極(カソード)域34を含む。
これら領域は、それぞれ陽極および陰極の電極38、40を含む。燃料電池スタ
ックの陽極域32は、生成水素流14の少なくとも一部を受け取る。陽極域32
は、周期的にパージされ、水素ガスを含んでいてもよいパージ流48を放出する
。或いは、水素ガスは連続的に燃料電池の陽極域から排気され再循環されてもよ
い。パージ流は大気中に排気され、燃焼され、加熱、燃料または燃料処理アセン
ブリへの原料として使用されてもよい。燃料電池スタックからのパージ流は、適
当な回収アセンブリにまとめられ、その回収アセンブリを介して1つに結合され
たパージ流が燃料、原料、加熱の用途に付せられてもよいし、或いは採取、使用
または貯蔵されてもよい。
た陰極空気排出流44を放出する。空気流42は、図3に概略的に示す空気搬送
システム46によって搬送されてもよく、空気搬送システム46は、ファン、ブ
ロワ等、適当な形態のものであればいずれのものでもよい。酸素ガスから発散さ
れた電子は、バリア36を透過できないので、外装回路49を通り、そこで装置
28から適用される負荷を満足する電流26を生成する。電流26は燃料電池シ
ステムを稼動するためにも使用される。燃料電池システムの電力要求量を、集合
的に燃料電池システムのバランス・オブ・プラント要求量と呼ぶ。
みに依存しているため、これら部品に対する依存による制限を受ける。例えば、
スタック22がメンテナンスを必要とする場合、損耗した場合、或いは使用から
外さなければならない場合に、システム10は、前もって蓄えた電力があれば、
その電力を供給するが、そうでなければ電力を装置28に供給できない。同様に
、燃料処理装置12がメンテナンスを必要とする場合、損耗した場合、或いは使
用から外さなければならない場合に、システム10は、前もって蓄えた原料があ
れば、その原料を供給するが、そうでなければ生成水素流14等の原料を燃料電
池スタック22に供給できない。
の少なくとも1つの操作部品が冗長性を有する燃料電池システムに関する。ある
実施の形態において、燃料電池システムは部分的および/または全体的な冗長性
を提供する複数の燃料電池スタックを備える。ある実施の形態において、燃料電
池システムは、燃料電池スタックを1つだけ有する燃料電池システムによる最高
定格電力出力と同等の電力を供給する複数の燃料電池スタックを備えることによ
り、部分的な冗長性を提供する。ある実施の形態において、燃料電池システムは
、燃料電池スタックを1つだけを有する燃料電池システムによる最高定格電力出
力以上の電力を供給する複数の燃料電池スタックを備える。ある実施の形態にお
いて、燃料電池システムは、燃料電池スタックを1つだけ有する燃料電池システ
ムと比べて、n+1の(或いは全体的な)冗長性を有する複数の燃料電池スタッ
クを備える。ある実施の形態において、燃料電池システムは制御システムを備え
る。ある実施の形態において、燃料電池システムは、複数の燃料処理装置を含み
、部分的または全体的な冗長性を提供する。
される。システム60は、原料流68を介して搬送される原料から生成水素流6
6を生成するように構成されている燃料処理装置64を有する燃料処理アセンブ
リ62を備える。また、システム60の部品は概略的に示され、且つこの燃料電
池システムは、図に示された以外の部品、例えば、引用する参考文献に開示され
ているような供給ポンプ、空気搬送システム、熱交換器、加熱アセンブリ等を含
む。
仕組みの例としては、改質触媒を使用して炭素含有原料および水を含む原料流か
ら水素ガスを生成する水蒸気改質および自熱改質が挙げられる。水素ガス生成に
適した仕組みの他の例としては、炭素含有原料の熱分解および触媒部分酸化が挙
げられ、この場合、原料流は水を含まない。水素ガス生成に適した仕組みのさら
に他の例としては、電解が挙げられ、この場合、原料は水である。図4に示され
る原料流68は、二つの別々の流れとしてそれぞれ別の原料搬送システム70、
70から搬送されている。本発明の請求の範囲において、原料流は1つでも或い
は二つ以上でもよい。同様に、原料搬送システムも、原料の供給路に結合された
ポンプや、原料の圧縮流に結合されたバルブアセンブリ等、適した形態のもので
あればいずれのものでもよい。
流68を受け取る水蒸気改質器として以下に説明する。しかしながら、本発明の
請求の範囲においては、燃料処理装置64は上に述べたように他の形態のもので
もよい。適した炭素含有原料72の例としては、少なくとも一種の炭化水素また
はアルコールが挙げられる。適した炭化水素の例としては、メタン、プロパン、
天然ガス、ディーゼル、ケロシン、ガソリン等が挙げられる。適したアルコール
の例としては、メタノール、エタノール、エチレングリコールおよびプロピレン
グリコール等のポリオール類が挙げられる。炭素含有原料が水溶性の場合、炭素
含有原料および水は、図5に示すように、単一の原料流68として搬送されるが
、必ずしもそうでなければならないというのではない。炭素含有原料が水溶性で
ない場合、図4に示すような別々の原料流68が使用される。
発明の名称:「燃料処理システム(Fuel Processing System)」、出願日:19
99年4月13日、開示内容全体をここに引用したものとする)に開示されたも
のが挙げられる。燃料処理アセンブリ62に含まれる他の部品の例としては、米
国特許出願番号09/190,917(発明の名称:「内蔵燃料電池システム(
Integrated Fuel Cell System)」、出願日:1998年12月12日、開示内
容全体をここに引用したものとする)に開示されたものが挙げられる。
一部を複数の燃料電池スタック76に搬送するように構成されている。複数の燃
料電池スタック76を、集合的に、スタックアセンブリ77と称することがある
。スタック76は、そこに搬送される生成水素流の一部から電流78を生成し、
この電流はエネルギ要求、つまりエネルギ消費装置80の適用負荷を満足するた
めに使用してもよい。装置80の例としては、自動車;娯楽用自動車;ボート;
道具類;照明または照明アセンブリ;機械機器(民生用または他の機械機器);
家、アパートメント、タウンハウス、コンドミニアム等の1つ或いはそれ以上の
住居用居住建物、商業用建物;電磁波リレーステーション;信号または通信設備
等が挙げられるが、これに限定されない。図4において、装置80は概略的に示
されており、実際には、電流を燃料電池システムから取り出すための1つ或いは
それ以上の装置または装置の集合体である。この点をさらに詳しく説明すると、
装置80は、図5において一対の装置80 1 と80 2 とを備える。それぞれの装置
80は、装置80が適用負荷の少なくとも一部を燃料電池スタックアセンブリ7
7に適用している第一作動状態および装置80がスタックアセンブリ77に全く
負荷を適用していない第二作動状態を少なくとも含む複数の作動状態を有する。
60は、複数の燃料電池スタック76を含んでいるのであって、単に複数の燃料
電池を含む単一の燃料電池スタックとは区別されることが重要である。図に示す
とおり、燃料電池は、それぞれ、共通の端板の間で接続され、且つ、共通の流体
管を有する1つ或いはそれ以上の燃料電池82(通常、複数の燃料電池を含む)
を含む。適した燃料電池の例としては、プロトン交換膜(PEM)燃料電池、ア
ルカリ燃料電池が挙げられるが、適した燃料電池であれば他のものも使用される
。同様に、スタックおよび電池の構成は図3に示すスタックの構成と同じであっ
てもよい。それぞれのスタックにおける燃料電池82は、スタックに搬送される
生成水素流66の一部等のスタックに搬送される原料から電力を生成する1つの
ユニットとして作用する。それぞれのスタックは、スタックが生成水素流66の
少なくとも一部を受け取りそこから電流を生成する第一作動状態と燃料電池スタ
ックが電流を生成しない(通常、流66の一部を受け取らない)第二作動状態と
を少なくとも含む複数の作動状態を有する。
独立して作動する。このことによって、あるスタックがメンテナンスや修理のた
めに作動不良または作動から外された場合、他のスタックが作動し続けることに
よって電流78を生成し、装置80からの適用負荷の少なくとも一部を満足する
。スタックアセンブリの全定格電力出力は、スタックのうち少なくとも1つがオ
フラインまたは電流を生成していない場合は実現されないが、スタックのうち少
なくとも1つが作動している限り定格電力出力の一部が生成される。換言すれば
、スタックアセンブリ77は、装置80からの適用負荷に対して最大定格電力出
力を供給できる単一で機能するスタックではあるが、機能するスタックが1つも
無い場合には、前もって蓄えられた電力がある場合はそこから電力出力を供給で
きるが、そうでなければ供給できないというスタックに代わるものである。
れている用語の幾つかを定義しスタックアセンブリ77およびシステム60の用
途を説明する。ここで使用される「最大定格電力出力」とは、燃料電池スタック
76が生成するように設計、つまり構成された電力出力のことである。例えば、
エナジー・パートナーズ(Energy Partners)、プラグ・パワー (Plug Power)
、ヌヴェラ(Nuvera)、エイチ・パワー(H-Power)、バラード・パワー(Balla
rd Power)、 インターナショナル・フュエル・セルズ(International Fuel Ce
lls)、テレダイン(Teledyne)等の燃料電池スタックの製造業者らは、製品ス
タックをそれらが安全に作動するように設計された範囲内にある最大電力出力を
定格とする。同様に、「全定格電力出力」は、スタックアセンブリ77に含まれ
る複数の燃料電池スタックの総最大定格電力出力のことである。ここで使用され
る「最大要求電力出力」とは、1つの燃料電池スタックまたはスタックアセンブ
リが、装置80からの適用負荷を満足するために供給することを要求される最大
電力出力のことである。ここで使用される「中間電力出力」および「中間定格電
力出力」とは、燃料電池スタックアセンブリの全定格電力出力に満たない出力の
ことである。例えば、スタックアセンブリが3つのスタックを有し、且つ、その
うち1つがオフラインである場合、このスタックアセンブリは中間電力出力、す
なわち残りの二つのスタックの最大定格電力出力の合計の電力を供給することが
出来る。このような出力は、スタックアセンブリの有効定格電力出力とも呼ばれ
、ある特定のときに使用可能なスタックの数によって変わる。
燃料電池スタックアセンブリ77)に適用する。適用負荷の大きさおよび変動性
は、装置の種類および構成且つ装置の用途によって異なる傾向にある。例えば、
ある特定の装置80は通常スタックアセンブリ77に300Wから15kWの範囲
にある負荷を適用する。スタックアセンブリ77は、20kWまでの電力を供給
するように設計され、この負荷を満足し、システム60のバランス・オブ・プラ
ント要求量を供給し、且つ、装置80から与えられた負荷が通常の範囲の値を超
える場合には追加的或いは代替的にバッファを供給する。このような構成におい
て、スタックアセンブリの全定格電力出力は20kWであり、スタックアセンブ
リ77の最大要求電力出力は15kWである。スタックアセンブリ77に含まれる
スタック76のそれぞれの最大定格電力出力は、本明細書中にも詳しく述べるが
、例えば、スタックの数や目標冗長性の程度によって異なってもよい。
車は一般に5〜75kWの電力を必要とし、5kWは水平な路面を走行していると
きの要求量を表し、75kWは加速度が大きいときの要求量を表す。一家庭用の
バックアップ電力供給としては、一般に300Wから13〜15kWの範囲内の電
力が必要とされる。娯楽用自動車、移動住宅等は、通常、起動電力要求量を除い
ては、300Wから7〜10kWの範囲内の電力を要求する。このような電力範囲
は、娯楽用自動車中の加熱器、調温調湿機および機器を作動させるために必要と
される電力を表し、自動車を駆動するための電力を表すのではない。帆船等の海
上船は100〜300Wから2〜5kWの範囲の電力要求を有することが多い。例
えば、無停電電源装置(UPS)等の幾つかの装置80は、その電力供給が使用さ
れる特殊な環境に依存する特定の電力要求量に対して設計されていてもよい。例
えば、パソコンに電力を供給するように構成されたUPSは300Wの電力しか必要
としない。しかしながら、通信設備、信号送信設備、研究所、コンピュータネッ
トワーク等に電力を供給するように設計されたUPSはより大きな電力要求量を有
する。
範囲外で作動してもよい。同様に、各装置は切断されたり運転停止となることも
あり、その場合には、装置は電力要求量を有しないことから、上述の範囲は作動
電力要求量として言及されているものである。
タック76の数は、二つから数ダース、或いはそれ以上であってもよい。装置6
0は、複数のそれぞれ独立したスタック76を含むため、個々のスタックは、シ
ステム10のスタック22のように単一スタックのみが使用されている場合と比
べて小さいサイズで且つ低い最大定格電力出力を有する。小さいサイズの複数の
スタックを使用する場合、それらは通常単一のより大きなスタックよりも安価で
ある。それぞれのスタックのコストの減少は、追加するスタックのための追加の
制御装置および流体管によっていくぶん緩衝される。本明細書にて詳しく述べる
が、それぞれのスタックの定格電力出力を対応するシステム10のスタック22
に等しくすることもできる。
Wを一家庭に供給するように設計された燃料電池システム10が考えられる。引
き続きこの例において、燃料電池システムのバランス・オブ・プラント要求量(
具体的には、システム60の部品に必要とされる電力)を満たすように電力を供
給することも出来る。パワーエレクトロニクス回路におけるバランス・オブ・プ
ラント要求量および損失量は、通常2〜300ワットからおよそ1kWである。
このようなシステムにおいて、最大要求電力出力は3kWで、スタック22の最
大定格電力出力は4kWである。従って、システム10は、家庭における最大要
求電力出力を供給可能であり、且つシステムのバランス・オブ・プラント要求量
を供給可能である。しかしながら、もし、スタックが故障したり、許容範囲外の
作動条件下で作動したり、アップグレードが必要とされたり、異物が混入したり
、別の用途に使用されたり、検査されたり、或いは修理されたりして、スタック
22を作動から外さなければならない場合、システム10はスタックが再び整備
されるまでは家庭に電力を供給できない。このような時、家庭はバックアップ電
力に欠けることになる。繰り返すが、これは一例であって上述の値はシステムに
よって異なってもよい。例えば、あるシステムのバランス・オブ・プラント要求
量が1kWを超える場合、燃料電池スタック22としては、前記より大きな最大
定格電力出力を持つものを選択しなければならない。
ックアセンブリ77に含まれるスタック76のうちの1つが故障したり、オフラ
インであったり、運転停止となったり、或いは作動から外された場合でも、シス
テム60は少なくとも中間電力出力を供給することができる。例えば、スタック
76 1 〜76 4 のそれぞれが最大定格電力出力1kWを有する場合、このスタック
アセンブリはシステム10の定格電力出力と同等の全定格電力出力を有すること
となる。これらスタックのうち1つがオフラインであった場合でも、スタックア
センブリ(およびシステム60)は中間電力出力(3kW)を供給することが出
来る。このような状況では、家庭或いは他の種類の装置80の最大要求電力出力
を満たすことはできないが、この最大定格電力出力の少なくとも一部、また、場
合によっては実質的な部分をまかなうことができる。従って、スタックアセンブ
リ77は、全てのスタック76が電流を生成する第一作動状態と、どのスタック
76も電流を生成しない第ニ作動状態と、スタック76のうち少なくとも1つが
電流を生成するがスタック76のうち少なくとも1つが電流を生成しない第三作
動状態とを有すると言える。また、多くの装置80が、大部分(80%以上)で
はなくとも過半数の作動時間中に、最大要求電力出力に相当する負荷よりも小さ
い負荷を適用する。このような状況で、前記スタックアセンブリは、最大要求電
力出力を供給することができないとしても、家庭の適用負荷を満たすことが可能
である。
に有する独立した複数のスタック76からなるスタックアセンブリ77の有用性
は実証されたものとする。このようなシステム60は、1つの燃料電池スタック
アセンブリ、つまり独立的には前記燃料電池システムの最大要求電力出力よりは
小さい定格電力出力を有するが集合的には前記システムの最大要求電力出力を満
たす複数の燃料電池スタック、を有するといえる。このようなシステムは、また
、そのシステムがたとえ1つ或いはそれ以上の独立したスタックが故障した場合
でも(作動しているスタックが少なくとも1つある限り)中間電力出力を供給す
るという中間或いは部分的な冗長性を有するといえる。
の数は異なっていてもよいが、最低2つのスタックを常に含まなければならない
。例えば、上述の例で記載したスタックアセンブリは、それぞれ500Wの定格
電力出力を有する8つのスタック76、それぞれ2kWの定格電力出力を有する
2つのスタック76、それぞれ1.33kWの定格電力出力を有する3つのスタ
ック76等を代替的に備える。
定格が、たとえ1つ或いはそれ以上のスタックが故障したり、或いは整備、メン
テナンスまたは修理のためにオフラインとなった場合においてもシステムが最大
定格電力出力を達成するように、少なくとも1つの「余分な」スタックを備える
ことが望ましい。例えば、4kWのシステムが所望されたと仮定して、1kW定格
の5つのスタックを有することにより、たとえこれらスタックのうち1つがオフ
ラインとなる必要がある、または、故障した場合でも、最大要求電力出力は達成
される。このような構成において、システム60は、たとえ1つのスタックが電
力を生成していなくてもシステム自体は最大要求電力出力を供給できるn+1の
冗長性を有すると言える。本発明の請求の範囲において、n+2冗長性、n+3
冗長性等の所望の冗長性の程度が提供される。前記燃料電池スタックアセンブリ
が少なくともn+1の冗長性を含んでいれば、たとえ1つ(或いは冗長性の程度
によりそれ以上)のスタックが故障するかオフラインとなった場合でも前記スタ
ックアセンブリ(および関連燃料電池システム)が最大要求電力出力を供給する
全冗長性を有すると言うことができる。
れらの追加のスタックに対する先行投資費用、運転費用、システム要求等のコス
トと比較考量されなければならない。従って、全てのユーザのための全ての目的
に最適な構成は無い。その代わり、ある特定のシステムが、許容範囲のシステム
コスト、所望の中間冗長性および所望の全冗長性等の要因によって選択される。
多くの用途において、n+1冗長性は望ましい。もちろん、単一の燃料電池スタ
ックが充分に高い信頼性を有する場合、冗長性は必要とされない。しかしながら
、ある特定のスタックの実際の信頼性を予想することは、特にそのスタックがそ
の上流または下流にあるシステム部品の故障により故障することがある場合、困
難なことが多い。多くの用途において、ある程度の冗長性は、燃料電池システム
が電流を全く生成できないというような事態に対する防護手段として必要である
。
の燃料電池スタック76を有するため、これらスタックは装置80(および/ま
たは前記燃料電池システムのバランス・オブ・プラント要求量、この要求量はシ
ステムの起動時においてより大きくなる)からの適用負荷を満たすために、その
増分に対応してオンラインとなる。このように、最大値より低い負荷に対しては
、その負荷要求を満たすために必要な数のスタックのみがオンラインとなり作動
する。スタックに対して非常に長い寿命が必要とされ、且つ、負荷は最大定格電
力出力と最小電力出力を毎日繰り返す住居用用途等の要求が厳しい用途に対して
は、その負荷要求を満たすために必要なだけの燃料電池スタックを作動させるこ
とが、結果として燃料電池スタックの作動時間の減少およびより長い寿命につな
がる。このように、システムが使用されているときは常にオンラインの単一のス
タックを有する代わりに、システム60は、装置80から適用された負荷を満足
するのに必要な数のスタックだけを使用することで各燃料電池スタックの作動可
能寿命を維持することができる。本明細書においてさらに詳しく述べるが、各ス
タックの作動状態は、手動で選択してもよいし、(装置80およびシステム60
からの)適用負荷の大きさによる自動的制御によって選択してもよいし、或いは
制御システムによる制御によって選択してもよい。
接続され、システム60の出力電圧要求を満足する。例えば、上述の例において
説明した4つの1kWスタックは、それぞれ、負荷下で12VDCを生ずる。これら
スタックは、パワーエレクトロニクス回路に対して48DVCの出力を生ずるため
に電気的に直列接続される。これらの値は単に説明のための例であって、スタッ
クアセンブリ77によって生成された電流の電圧は適用負荷によって異なる。好
ましくは、各燃料電池スタックは、1つ或いはそれ以上の燃料電池スタックのメ
ンテナンス、使用、取替え等を他のスタックが電力を装置80に供給し続けてい
る間に迅速に行うために電気的にお互いに分離されている。
理モジュール81を含むシステム60の1つの実施形態を図5に示す。スタック
アセンブリ77からの電力(或いは電流)78は、図中83として示されるよう
にモジュール81を通って装置80へ搬送される。装置80がAC電力を必要とす
る場合、モジュール81は、各燃料電池スタックからのDC電力をAC電力に変換す
るためのインバータを含む。図6にインバータ85を含む電力管理モジュールの
一例を概略的に示す。モジュール81は、超過電力を保存するための1つ或いは
それ以上のバッテリ88を含むバッテリアセンブリ86と連動充填器90、およ
びスタックアセンブリからの電力を選択的に装置80またはバッテリアセンブリ
86に搬送するように構成されている切換アセンブリ92を追加的或いは代替的
に備える。モジュール81は、例えば、電流78の電圧を増加させる少なくとも
1つの昇圧DC‐DC変換器または電流78の電圧を減少させる少なくとも1つの降
圧DC‐DC変換器等の少なくとも1つのDC‐DC変換器93を追加的或いは代替的に
備える。変換器93は、スタックアセンブリ77からその電圧が適用負荷によっ
て変動する未調節のDC流を受け取り、この電圧を選択された値に調節する。この
選択された電圧は、前記未調節の電圧より低くても高くても良く、また、前記変
換器からの出力流がバッテリアセンブリ86に向かっているかまたは装置80に
向かっているかによって異なる。モジュール81は各スタック76のためのDC‐
DC変換器を有してもよく、或いは、各燃料電池スタックは、図7に点線で概略的
に示されるような専用DC‐DC変換器93に電気的に接続されるか、または、その
ような専用DC‐DC変換器93を有していてもよい。図にあるように、各DC‐DC変
換器は各接続機100を介して各燃料電池スタック76と一体化されるか、また
は、各燃料電池スタックの下流に別個に配置されてもよい。各専用DC‐DC変換器
からの調節済みDC出力は並列または直列に接続される。モジュール81は上述の
部品以外のものを含んでもよいのであって、上述の部品の全てが電力管理モジュ
ールのあらゆる実施形態において必要というわけではない。
少なくとも一部を受け取り、且つ、受け取った生成水素流をスタックアセンブリ
77を形成する複数の燃料電池スタックに搬送する搬送マニホールドアセンブリ
94を備える。図に示すとおり、アセンブリ94は、生成水素流66を受け取り
、複数の水素流96を複数のスタック76に分配する。好ましくは、前記マニホ
ールドアセンブリは、水素ガスのみをスタックアセンブリ77の作動中のスタッ
クに送るように構成される。さらに詳しく述べると、スタックアセンブリ77に
含まれる複数の燃料電池スタックの数は特に決まっておらず、例えば、図7に示
すスタックアセンブリ77は一対の燃料電池スタック76を有する。上述したと
おり、ある程度の中間および/または全冗長性を提供するためには、少なくとも
2つのスタックが必要不可欠である。
リ77の燃料電池のうちで選択されたものへと分配される水素ガスの流れを調節
または選択的に遮断するように構成されているバルブアセンブリ98を備える。
或いは、バルブアセンブリは、スタックアセンブリ全体に搬送される水素ガスの
流れを調節または選択的に遮断するようなものでもよい。バルブアセンブリ98
は、水素ガスの流れをスタックアセンブリ77および/または複数のスタック7
6に選択的に搬送する或いは遮断するために適した構成であればいかなる構成を
有してもよい。適した装置の例としては、流量調節器、切換器、切換アセンブリ
、ソレノイド等が挙げられる。図7においては、バルブアセンブリ98は、マニ
ホールド94と一体化されている。バルブアセンブリ98は幾つかの実施例にお
いて搬送マニホールドアセンブリと直接または間接的に協調通信関係にあるが、
本発明の請求の範囲においては、バルブアセンブリ98は搬送マニホールドアセ
ンブリの外部に配置されていてもよい。
うち1つ或いはそれ以上を適用負荷から電気的に分離するために作動される接続
器または他の適当な装置100を含んでいてもよい。前記接続器は、1つのスタ
ックを使用のために取り除く場合等には手動で、或いは、ある一定の作動条件ま
たは負荷条件を超えるときに等に自動的に、および/または制御システムによっ
て動作するようにしてもよい。例えば、1つの接続器は、ある特定のスタックが
高すぎる温度で作動している場合、ある特定のスタックの電位が低すぎる場合、
一酸化炭素に曝されたりしてある特定のスタックに異物が混入した場合、ある特
定のスタックが整備または検査される場合、或いはある特定のスタックが適用負
荷を満たすために不要である場合に、そのスタックを使用から取り除くために作
動される。
池スタック76は、それぞれ、空気流102を空気搬送システム104から受け
取る。図3に関して先に述べたが、空気流は各スタックの陰極域にそれぞれ搬送
される。空気流は、図8に示すように、搬送マニホールドアセンブリ94によっ
て各スタックに分配されてもよい。図8に示す実施例においては、空気搬送シス
テム104はどのような形態のものでもよく、空気流106をマニホールドアセ
ンブリ94に搬送し、このマニホールドアセンブリ94が、空気流102をそれ
ぞれ各スタック76に搬送する。また、図8に示す実施例においては、マニホー
ルドアセンブリ94の外部に配置された切換アセンブリ98が含まれている。さ
らに、同図において、スタックアセンブリ77は、独立した燃料電池スタック7
6 1 、76 2 、76 n を含むように図示されているが、これは選択された数のスタ
ックであれば幾つでも使用可能であることを示している。
を受け取ってもよい。冷却液供給または搬送システムの一例を、図8において概
略的に110として示すが、これらは適した形態であればどのような形態でもよ
い。システム110は、冷却液流112をマニホールドアセンブリに搬送し、こ
のマニホールドアセンブリが冷却液流108を、それぞれ、独立したスタックに
搬送する。適した冷却液の例としては、空気、水、グリコール類、および水‐グ
リコール混合物類が挙げられるが、これらに限定されない。冷却液流は、冷却液
ループを形成してもよく、または、冷却液流は、スタック76を冷やすために使
用された後は、通気、排気、或いは、別の使用に付されるか処理されてもよい。
冷却液は、各スタックの陽極および陰極域に直接導入されるのではない。その代
わりに、冷却液は、1つの燃料電池スタックを形成する各燃料電池82間にあり
、この燃料電池スタックを取り囲んでいるジャケットを通り抜け、並びに/また
は前記陽極域および/若しくは陰極域を通り抜けて延在する配管を通る。
を生成するために作動しているスタックにのみ搬送されることが好ましい。例え
ば、空気流が、電流を生成するために使用されていないPEM燃料電池に搬送さ
れた場合、このスタックの電池に使用されている電解膜を乾燥させてしまう。冷
却液流108は、それぞれ、作動中のスタックにのみ搬送されてもよいし、或い
は、常にスタックアセンブリ77中の全てのスタックに搬送されてもよい。例え
ば、全てのスタックへの冷却液の連続的な供給を維持することは、冷却液の供給
を調節し選択的に遮断することに比べると、需要電力も少なく、また、要求資源
も少ない。
テム60は、スタックアセンブリ77に送られるそれぞれの原料用に別々のアセ
ンブリを有してもよい。このような燃料電池システム60の一例を図9に示す。
図9において、水素ガスがマニホールドアセンブリ94によって分配され、空気
はマニホールドアセンブリ94’によって分配され、冷却液はマニホールドアセ
ンブリ94’’によって分配される。本発明の請求の範囲において、前記スタッ
クのそれぞれが、これらの流れの幾つか或いは全てを上述の供給源からマニホー
ルドアセンブリを介さずに直接受け取ってもよく、且つ、それぞれのスタックは
、これら流れのうち1つ或いはそれ以上をある独立した供給源または搬送システ
ムから受け取ってもよい。
を介してスタックアセンブリ77の各スタック76に搬送される場合、これらの
流れは、直列よりも並列に搬送されることが好ましい。このような構成にするこ
とによって、各スタックはそれぞれの流れを本質的に同じ組成物、温度等で受け
取ることができる。
ステムは、システム60の動作を管理するように構成されている制御装置122
を具備する制御システム120を含む。図に示すとおり、制御装置122は燃料
電池システム内の種々の部品と通信リンク124を介して通信する。リンク12
4は、制御装置と燃料電池システムにおいて対応する各部分との間にあって、そ
れぞれ、機械的な通信、有線または無線通信等、適した通信形態であればいずれ
の形態であってもよい。これら通信リンクは一方或いは双方向通信が可能である
。双方向通信リンクの場合、制御装置は燃料電池システムの種々の部品からの入
力信号を受け取り、且つ、制御信号をそれら部品に送信することができる。適し
た入力の例としては、温度、圧力、流量、組成、動作状態、負荷等のうちの1つ
或いはそれ以上の最新の作動条件が挙げられる。これらの入力は対応する部品か
ら直接に受け取ってもよいし、或いは、選択された部品と連動しているセンサア
センブリ126から受け取ってもよい。
の範囲においては、制御システム120が図10に示すリンクとセンサの全てを
全実施例中において備えるというわけではない。同様に、制御システムは、燃料
処理アセンブリ62(およびその燃料処理装置64)および/または装置80等
と通信する追加のセンサやリンクを含んでいてもよい。
って、あるスタックを適用負荷から選択的に分離するためのものである。例えば
、センサアセンブリ126、他のセンサや検知器、手動観察等による通信によっ
て、あるスタックが許容作動条件から外れて作動していると検知された場合、そ
のスタックは適用負荷から分離されてもよい。
ステムの実施例においては、あるスタックが適用負荷に対して基準以下の電力を
供給している場合、それぞれのDC‐DC変換器が自動的に対応するスタックを分離
するようにしてもよい。例えば、選択された最低電圧を超える電圧を有する電流
78がある特定のDC‐DC変換器に送られてこない場合、そのDC‐DC変換器は、そ
のDC‐DC変換器に係る接続器100、適当な接続器または他の切換器を作動させ
る等して、該当するスタックを自動的に適用負荷から分離する。
はそれ以上に搬送される水素ガス、空気および/冷却液の流れを選択的に調節ま
たは遮断するために追加的に或いは代替的に使用されてもよい。例えば、ある特
定のスタックに対する水素および空気、および場合によっては冷却液の流れは、
そのスタックが電流を生成しないように遮断されてもよい。通常、対応する接続
器100もまたスタックを原料および適用負荷から分離するために作動される。
制御システム120は、水素ガス流に異物の混入が認められた場合、汚染された
水素ガスがスタックに搬送されるのを防ぐために、前記スタックのうち1つ或い
はそれ以上を分離してもよい。
ムの一例を再び参照して、負荷が実質的に3kWより少ない値までの減少を要求
する場合、燃料電池制御装置は、スタック76のうち1つ或いはそれ以上の作動
を止めて分離するように信号を送ってもよい。特に、通常の住居用家庭において
、深夜および正午等の電力消費が最小である期間中は、4つの燃料電池スタック
のうち4つまでが作動を止めるように、且つ、電気的に分離されるように信号が
送られ、最小電力要求量の期間中は、正味電力出力をその住居の最小負荷要求に
必要なだけの1kWより少なくする。この例において、家庭における最小電力消
費期間が毎日12時間ずつあり、且つ、その最小負荷を満たすために1kWスタ
ックが1つだけオンラインであればよい場合は、前記4つの燃料電池スタックの
うち3つをオフラインとすることで効果的に前記スタックの寿命を60%増やす
ことができる(4日周期では、それぞれの燃料電池スタックは終日を一回と半日
を3回作動するか、96時間ごとに60時間ずつ作動する)。
パーセンテージに比例するものである。制御装置122を、所定周期に従って使
用から取り除くべきスタックを選択するようにしてもよいし、或いは、そのよう
なスタックを任意に選択されるようにするか、またはそのようなスタックを交代
させるようにしてもよい。所定周期はある特定のスタックの作動時間を最大化す
る反面、他のスタックの寿命を最小限にする。このような状況では、作動時間を
最大化されたスタックは他のものより早く故障することとなるが、取替えが必要
となるのはこの特定のスタックのみである。1時間毎、1日毎、1週毎等の合理
的周期において、スタックは順次交代してオンラインとなる特定のスタックとな
り、全スタックの全体作動時間はほぼ同じとなる。つまり、全てのスタックがほ
ぼ同時期に取替えが必要となり、この場合、所定周期構成のうちの1つの作動時
間が最大化されたスタックを取り替えるよりもかなり長い時間が取替えに必要と
なる。
を備えていてもよい。ユーザインターフェース130は、ユーザが制御装置の動
作を監視および/または対話することを可能にする。ユーザインターフェース1
30の一例を図12に示す。図にあるように、インターフェース130は、情報
をユーザに提示するために、画面134を具備した表示部132または他の適当
は表示機構を含む。例えば、表示部132は、1つ或いはそれ以上のセンサアセ
ンブリ126によって計測された最新の値、システム60または装置80の閾値
および実際の作動条件、前記スタックアセンブリおよびそこに含まれるそれぞれ
のスタックに対する適用負荷、前記スタックの電位および他の作動条件等を表示
する。前回計測された値もまた表示されてもよい。前記燃料処理システムの作動
および性能に関する他の情報もまた表示部132に表示されてもよい。
入力装置136をもまた備えてもよい。例えば、入力装置136は、燃料電池シ
ステムの作動状態を変更するためのコマンドを入力できるようにし、そうするこ
とによって、システムに記録された閾値および/または作動条件を変更すること
ができ、および/または前記システムの前回のまたは最新の作動条件を、前記制
御装置に要求することができる。入力装置136は、回転式ダイアル、スイッチ
、押しボタン、キーパッド、キーボード、マウス、タッチスクリーン等のユーザ
入力を受け取るための適当な装置を含んでいてもよい。また、図8にも示されて
いるのが、閾値が許容範囲を越えて燃料電池スタックが分離された場合、ユーザ
に警告するユーザ警報装置138である。ユーザ警報装置138はアラーム、ラ
イト、またはユーザに警告するための他の適当な1つ或いはそれ以上の機構を含
んでいてもよい。
を具備しない制御装置を含んでいてもよく、又、ユーザインターフェースは必ず
しも上述の要素全てを含む必要は無い。上述の要素は、集合的に図12に概略的
に示されているが、本発明の請求の範囲においては、それらは別々に備えられて
もよい。例えば、ユーザインターフェースは、それぞれが上述のユーザ情報のう
ち1つ或いはそれ以上を表示するように多数の表示部を含んでいてもよい。同様
に、単一のユーザ入力装置を使用してもよい。このような入力装置は、ユーザに
所望の値を入力するように促す、または、ユーザが入力画面間でトグルすること
を可能にする1つの表示部を含んでいてもよい。
ンブリ77を形成する各スタック76に適用されるピーク時の負荷の大きさ、つ
まり、最大要求電力出力を制限するように構成されている。このような負荷制限
は前記制御システムの機能に加えてもよいし、前記機能に代わるものであっても
よい。燃料電池システムに適用されるピーク負荷を制限することは、システムを
各スタックまたはスタックアセンブリの定格電力出力を超える、或いはスタック
アセンブリのある特定時の有効定格電力出力ピークを超える負荷が適用されると
いう損害から前記システムを保護することとなる。このような負荷制限は、スタ
ックアセンブリに対する適用負荷を満足することが要求される最大要求電力出力
より小さい全定格電力出力を有する燃料電池スタックアセンブリ77の使用を追
加的に可能にする。換言すれば、負荷制限は、それぞれがより小さな定格電力出
力を有する燃料電池スタック76の使用を可能にし、また、このことはより大き
な定格電力出力を有するスタックを使用するよりも安価である。
ような用途においては、システム120による各負荷管理制御によって、エレク
ロトニクス回路をより小さいピーク電力用に設計することができ、このことが結
果的に省コストとなる。このような負荷管理制御は、特に装置80が過半数或い
は大部分の時間を中間電力出力にて作動し、その時間のうちで最大要求電力出力
が必要とされるのは僅かな割合という場合に有効である。このような装置80の
一例は家庭であって、家庭では200〜300ワットから13〜15kWの範囲
の負荷をシステム60に適用する。しかしながら、午前および午後の1〜2時間
のピーク時を除いては、家庭はその最大要求電力出力よりもかなり少ない負荷を
通常適用する。
るピーク負荷の大きさを減少させる(管理する)ために燃料電池システムととも
に効果的に使用できる。これは、大部分の民生用機器(乾燥機、食器洗浄器、ド
ライヤ、電子レンジ、コーヒーメーカ等)が差し込まれる複数の切換モジュール
140をもって達成される。複数の切換モジュール(集合的に切換モジュールア
センブリと呼ぶ)は、お互いに、または、制御装置122と、或いはそれら両方
と接続されており、より高い優先順位にある負荷(機器)を認識可能であり、且
つ、より低い優先順位にある機器に電源を切るように信号を送ることが可能であ
る。例えば、電子レンジのような高優先順位の機器は、全家庭負荷要求を著しく
増加することなく使用されるように、低優先順位の機器(例えば、食器洗浄器ま
たは衣類乾燥機)に電源を切るように信号を送るようにしてもよい。前記信号は
前記切換モジュールを通じて生じるが、このような切換モジュールは、機器に組
み込んでもよいし一体化されていてもよく、或いは、機器が差し込まれるための
別のモジュールとして使用されてもよい。各切換モジュール140は、他の切換
モジュールと無線信号または現存の家庭内配線を通じて電気信号によって通信し
てもよい。適した通信リンクであれば特に限定はされないが、現行の有線を介し
ての周波数スクランブル通信は特に効果的である。追加的にまたは代替的に、各
切換モジュールは、制御装置122と接続していてもよく、これが機器の選択的
オン/オフ構成(作動状態)を可能にする。前記優先順位、つまり各装置または
関連付けられているモジュールの階層性は、それぞれの切換モジュール(高優先
順位モジュール、低優先順位モジュール、中間優先順位モジュール等)毎に前も
って決定しておくか、または、制御システムまたは切換モジュールアセンブリに
記録された仕組み等の適当な仕組みによって定められる。
いて負荷制限コントロールは集合的に符号142で示される。図に示すとおり、
装置80は、それぞれ切換モジュール140を含む或いは切換モジュール140
と通信する装置80 1 〜80 4 を備える。図において、各モジュール140は、お
互いに通信リンク144を介して通信し、且つ、追加的にまたは代替的に通信リ
ンク124を介して制御装置122と通信する。
減少になる。例えば、引き続き同じ例において、一家庭は10〜15kWの最大
要求電力出力を有する。このような最大要求電力出力であれば、その25%、5
0%或いはそれ以上が、負荷制限コントロールの使用によって減少される。例え
ば、最大要求電力出力は、4〜8kWの範囲まで減少され得る。結果として、前
記燃料電池システムは、燃料電池スタックをより低い全電力出力にて効果的に使
用することができ、且つ、実質的に小型化される。従って、顕著な省コストが可
能である。
、上述の住居用家庭以外のエネルギ消費装置に適用できる。他の適当な装置の例
としては、商業用建物、自動車、電磁波リレーステーション、照明、機械機器、
道具類、通信機器、信号装置および上述の他の装置が挙げられる。
限定されない。好ましくは、前記燃料処理装置は、実質的純水素ガスを生成する
ように構成され、より好ましくは、純水素ガスを生成するように構成される。本
発明の目的において、実質的純水素ガスとは、その90%以上、好ましくは95
%以上、より好ましくは99%以上、さらにより好ましくは99.5%以上が水
素ガスであるものをさす。適した燃料処理装置は米国特許第5,997,594
号および第5,861,137号、係属中の米国特許出願第09/291,44
7号(出願日:1999年4月13日、発明の名称:「燃料処理システム(Fuel
Processing System)」および米国特許仮出願第60/188,993号(出願
日:2000年3月13日、発明の名称「燃料処理装置(Fuel Processor)」に
開示されているものが挙げられ、各文献の開示内容全体をここに引用したものと
する。
改質器の一例を符号150として図14に示す。改質器150は、水蒸気改質触
媒154を含む改質または水素生成部152を含む。或いは、改質器150は、
自熱改質触媒を含む自熱改質器であってもよい。改質部152では、改質水蒸気
156が水および原料流68を形成する炭素含有原料から精製される。改質水蒸
気は通常水素ガスおよび不純物を含むため、分離部、つまり、精製部158に搬
送され、そこで水素ガスが精製される。分離部158では、適当な圧力駆動型分
離工程によって、水素含有流が、図において集合的に符号160で示される1つ
或いはそれ以上の副生成物流と水素リッチ流162とに分離される。図14にお
いては、生成水素流66を形成している状態の水素リッチ流162が示されてい
る。
素透過型金属膜を含む膜モジュール164が挙げられる。複数の水素選択的金属
膜から形成される膜モジュールの適例は、米国特許出願第09/291,447
号(出願日:1999年4月13日、発明の名称:「燃料処理システム(Fuel P
rocessing System)」に開示されており、この米国出願の開示内容全体をここに
引用したものとする。上述の米国出願においては、複数の概ね平坦な膜が組み合
わされて1つの膜モジュールを形成するが、この膜モジュールは複数の流路を有
しており、これら流路を介して不純ガス流が複数の膜へ搬送され、純ガス流が複
数の膜から供給され、且つ、副生成物流が複数の膜から除去される。可撓性黒鉛
ガスケットのような複数のガスケットが供給および透過流路の周りを密閉するた
めに使用される。上述の出願にも開示されている管状水素選択膜を使用してもよ
い。他の適した膜および膜モジュールは、米国特許出願第09/618、866
号(出願日:2000年7月19日、発明の名称「水素透過型金属膜および水素
透過型金属膜の製造方法(Hydrogen-Permeable Metal Membrane and Method for
Producing the Same)」)に開示されており、この米国出願の開示内容全体を
ここに引用したものとする。
5重量%〜45重量%の銅を含むパラジウムからなる。これらの膜或いは水素透
過型膜は、通常、厚さ0.001インチの箔より形成される。しかしながら、本
発明の範囲においては、これらの膜は水素選択型金属および前記以外の金属合金
;水素透過型・選択型セラミック;または炭素組成物から形成されてもよい。各
膜は、上述のものより大きいまたは小さい厚みのものであってよい。例えば、膜
を圧延、スパッタリング、またはエッチングにより薄くして、水素流量をその薄
さに併せて増加させてもよい。前記水素透過型膜は、適した構成に変更可能であ
る。例えば、上述の米国出願に開示されているように、対となって共通の透過流
路の周りに配置されるようにしてもよい。前記水素透過型膜も、例えば上述の米
国出願に開示されているような管状等の他の構成をとってもよい。
吸着(PSA)が挙げられる。圧力旋回吸着(PSA)工程では、気体不純物は水素ガ
スを含有する流れから除去される。PSAは、ある種の気体は固有の温度および圧
力条件下では他の気体より強力に吸着材に吸着されるという原理に基づいている
。通常、吸着され改質流156から除去されるのは不純物のほうである。PSAの
水素精製への使用は、吸着材の不純ガス(CO、CO2、CH4やN2を含む炭化水素等)
に対する比較的強い吸着力によって成立している。水素は僅かにしか吸着されな
いので、水素ガスは吸着ベッドを透過し、不純物は前記吸着材上に保持される。
NH3、H2SおよびH2O等の不純ガスは吸着ベッドに強力に吸着され、他の不純物と
共に流れ156から除去される。吸着材が再生され、これらの不純物が流れ15
6中に存在する場合、これら不純物を吸着剤から除去することの方がより困難で
あるため、分離部158はこれら不純物を流れ156の吸着剤への搬送に先立っ
て除去するように構成された装置を備えることが好ましい。
から脱着され、吸着材は再生される。通常、PSAは周期的な工程であって、連続
的(バッチ式の反対として)運転のために少なくとも二つのベッドを必要とする
。吸着ベッドにおける使用に適した吸着材の例としては、活性炭素およびゼオラ
イトが挙げられ、特に5Å(5オングストローム)ゼオライトが挙げられる。前
記吸着材は、通常、ペレット状であり、従来型の充填層構成を採用する円柱状圧
力容器中に配置される。しかしながら、他の適した吸着材組成物、形態および構
成を使用してもよい。
よいが、必ずしもこれが必要というわけではない。ポリシング部168は、分離
部158からの水素リッチ流162を受け取り、さらに、そこに含まれる選択さ
れた組成物の濃度を薄めることによって、或いは、そこに含まれる選択された組
成物を除去することによって精製する。例えば、流れ162がアセンブリ77等
の燃料電池スタックアセンブリにおいて使用される予定の場合、一酸化炭素また
は二酸化炭素のように燃料電池スタックに損害を与える可能性のある組成物は、
水素リッチ流から除去される。一酸化炭素の濃度は、制御システムが燃料電池ス
タックを分離しないように10ppm以下でなければならない。好ましくは、前
記システムは一酸化炭素の濃度を5ppm以下、さらに好ましくは1ppm以下
に抑える。二酸化炭素の濃度は、一酸化炭素の濃度より高くても良い。例えば、
25%二酸化炭素以下の濃度は許容範囲である。好ましくは、前記濃度は10%
以下、さらに好ましくは1%以下である。特に好ましい濃度は、50ppm以下
である。ここに提示される許容最小濃度は説明のための例示であって、ここに提
示する以外の濃度も使用可能であり、且つ、本発明の請求の範囲内にある。例え
ば、あるユーザや製造業者たちは、ここに示したものとは異なる最小または最大
の程度の範囲を必要とすることもある。
の濃度を除去する或いは減少する構成として適した構成を備えることができる。
例えば、生成物流が、その流れが決定濃度以上の一酸化炭素または二酸化炭素を
含有すると損害を受けるようなPEM燃料電池スタックまたは他の装置においてさ
れる予定の場合、少なくとも1つのメタン生成触媒ベッド170を備えることが
好ましい。ベッド170は、一酸化炭素および二酸化炭素をメタンおよび水に変
換する。これらメタンおよび水はPEM燃料電池スタックを損傷しない。ポリシン
グ部168は、未反応原料を水素ガスに変換するために、もう1つの改質触媒ベ
ッド等のもう1つの水素生成装置172を含んでいてもよい。このような実施例
において、メタン生成触媒ベッドの下流に二酸化炭素または一酸化炭素を持ち込
むことがないように、メタン生成触媒ベッドの上流に第2の改質触媒ベッドが存
在することが好ましい。
psiの範囲の圧力下で作動するが、使用する燃料処理装置の種類や構成によっ
ては、この範囲以外の温度も本発明の請求の範囲内である。この熱を供給するた
めには、加熱器、バーナ、燃焼触媒等の適当な加熱の仕組みまたは装置が使用可
能である。加熱アセンブリは前記燃料処理装置に外装されていてもよいし、また
は、前記燃料処理装置の一部を形成する燃焼室を形成してもよい。前記加熱アセ
ンブリのための燃料は、燃料処理システム若しくは燃料電池システムから、外部
原料から、またはこれらの両方から供給される。
51を含む。ハウジングと呼ぶこともあるシェル151は、改質器150のよう
な燃料処理装置を装置ごと移動することを可能にする。また、シェル151は、
保護囲壁を提供することにより燃料処理装置の部品を損傷から保護し、また、燃
料処理装置の部品が装置ごと加熱されることにより燃料処理装置の加熱要求を減
少する。シェル151は、固体絶縁物、ブランケット絶縁材、または空気を充填
されたキャビティ等の絶縁材153を含んでもよいが、これは必要不可欠ではな
い。本発明の請求の範囲においては、改質器はハウジングまたはシェル無しで形
成されうる。改質器150が絶縁材153を備える場合、絶縁材はシェルの外部
、内部、または両方に配置される。絶縁材が上述の改質部、分離部、および/ま
たはポリシング部を含むシェルの外部にある場合、燃料処理装置は、さらに外カ
バーまたはジャケットを絶縁材の外部に備える。
なくともシェル151の外部に配置されるということもさらに本発明の請求の範
囲内にある。例えば、図15に概略的に示すように、ポリシング部168はシェ
ル151であってもよいし、および/または、改質部152の一部がシェルより
さらに外部にあってもよい。これらの構成を実際に含む燃料処理装置の他の例は
、参考として引用する文献に示され、且つ、ここにおいてより詳細に記載されて
いる。
替的に、燃料処理装置に関する部分的または全体的な冗長性を備える。このよう
なシステムの一例を符号180として図16に示す。図に示すとおり、システム
180は、複数の燃料処理装置64を含む燃料処理アセンブリ62を備える。前
記燃料電池システムが少なくとも二つの燃料処理装置を備えること、且つ、2つ
以上の燃料処理装置を備えていてもよいことを示すために、前記燃料処理装置は
64 1 〜64 n として示されている。nは最低2であって、2〜1ダース或いはそ
れ以上から選ばれる数である。同様に、図に示されるシステム180は各燃料電
池スタック76の冗長性をもまた有するが、システム180は1つのスタック7
6のみを有していてもよい。
れら発明のそれぞれが、好ましい形態として開示されているが、ここに開示され
例証として示された実施例は、本発明を限定するものではなく、種々の変更が可
能である。本発明の主題は、ここに開示された種々の要素、特徴、機能および/
または性能の新規且つ非自明な組合せや準組合せを含んでいる。同様に、請求項
に「1つの」または「第一の」要素、或いはそれと均等のものが記載されている
場合、このような請求項は、それら要素のうちの1つ或いはそれ以上のものを合
併したものを含むのであって、それら要素が二つ以上あることを必要とするので
もなければ、除外するのでもない。
し示しており、且つ、新規で非自明である。特徴、機能、要素および/または性
能の他の組合せや準組合せは、本出願または関連出願においての現請求項の補正
または新請求項の提示によって請求される。このような補正や新請求項は、それ
らが他の発明に関するものでも或いは同じ発明に関するものでも、現請求項の範
囲と比べて異なる、広い、狭い或いは等しいものであっても、本件開示内容の発
明の主題に含まれるものとみなされる。
略図である。
る。
である。
Claims (78)
- 【請求項1】 原料から生成水素流を生成するように構成されている燃料処
理アセンブリと、 前記燃料処理アセンブリからの前記生成水素流の少なくとも一部を受け取り、
そこからある大きさの適用負荷を少なくとも部分的に満足する電流を生成する燃
料電池スタックアセンブリとを備え、 前記燃料電池スタックアセンブリは、それぞれが最大定格電力出力を有する複
数の燃料電池スタックを含み、前記燃料電池スタックは、それぞれ、前記生成水
素流の少なくとも一部を前記燃料処理アセンブリから受け取りそこから電流を生
成する第一作動状態と、前記燃料電池スタックが電流を生成しない第二作動状態
とを少なくとも含む複数の作動状態を有し、前記燃料電池スタックはそれぞれ最
大定格電力出力を有し、前記燃料電池スタックはそれぞれ前記生成水素流の少な
くとも一部を受け取りそこから電流を生成するように構成されている燃料電池シ
ステム。 - 【請求項2】 前記燃料電池スタックは、それぞれ前記生成水素流の少なく
とも一部を受け取り、そこから他の燃料電池スタックの前記作動状態に関わらず
電流を生成するように構成されている請求項1に記載の燃料電池システム。 - 【請求項3】 前記燃料電池スタックは、それぞれ前記生成水素流の少なく
とも一部を受け取り、そこから他の燃料電池スタックの前記作動状態から独立的
に電流を生成するように構成されている請求項1に記載の燃料電池システム。 - 【請求項4】 前記燃料電池システムは、最大要求電力出力以下の電力を供
給することにより適用負荷を満足するように構成されている請求項1に記載の燃
料電池システム。 - 【請求項5】 前記燃料電池スタックアセンブリが、前記最大要求電力出力
に等しい全定格電力出力を有する請求項4に記載の燃料電池システム。 - 【請求項6】 前記燃料電池スタックアセンブリが、前記最大要求電力出力
より大きい全定格電力出力を有する請求項4に記載の燃料電池システム。 - 【請求項7】 前記燃料電池スタックアセンブリの全定格電力出力が、少な
くとも前記複数の燃料電池スタックのうちの1つの燃料電池スタックの最大定格
電力出力分だけ前記最大要求電力出力より大きい請求項6に記載の燃料電池シス
テム。 - 【請求項8】 前記燃料電池スタックアセンブリの全定格電力出力が、少な
くとも前記複数の燃料電池スタックのうちの二つの燃料電池スタックの最大定格
電力出力の合計分だけ前記最大要求電力出力より大きい請求項6に記載の燃料電
池システム。 - 【請求項9】 前記燃料電池スタックのそれぞれが、少なくとも前記最大要
求電力出力と同じくらいの大きさの最大定格電力出力を有する請求項4に記載の
燃料電池システム。 - 【請求項10】 前記燃料電池スタックアセンブリは、前記燃料電池スタッ
ク全てが前記生成水素流の少なくとも一部を前記燃料処理アセンブリから受け取
りそこから電流を生成する第一作動状態と、前記燃料電池スタックいずれもが電
流を生成しない第二作動状態と、前記複数の燃料電池スタックのうちの少なくと
も1つが前記生成水素流の少なくとも一部を前記燃料処理アセンブリから受け取
りそこから電流を生成し、前記複数の燃料電池スタックのうちの少なくとも1つ
が電流を生成しない第三作動状態とを少なくとも含む複数の作動状態を有する請
求項1に記載の燃料電池システム。 - 【請求項11】 前記燃料電池スタックアセンブリは、前記第三作動状態に
おいて、適用負荷を満足するのに十分な電流を生成するように構成されている請
求項10に記載の燃料電池システム。 - 【請求項12】 前記燃料電池スタックアセンブリは、前記第三作動状態に
おいて、その最大要求電力出力に対応する適用負荷を満足するのに十分な電流を
生成するように構成されている請求項10に記載の燃料電池システム。 - 【請求項13】 前記燃料電池スタックアセンブリは、前記第三作動状態に
おいて、その最大要求電力出力を超える適用負荷を満足するのに十分な電流を生
成するように構成されている請求項10に記載の燃料電池システム。 - 【請求項14】 前記燃料電池システムは、前記複数の燃料電池スタックの
作動状態を制御する手段をさらに備える請求項10に記載の燃料電池システム。 - 【請求項15】 前記燃料電池システムは、適用負荷の大きさを制限する手
段をさらに備える請求項1に記載の燃料電池システム。 - 【請求項16】 前記燃料電池システムは、前記生成水素流の少なくとも一
部、空気流および冷却液流を前記複数の燃料電池スタックに選択的に搬送する手
段をさらに備える請求項1に記載の燃料電池システム。 - 【請求項17】 前記燃料電池システムは、前記燃料電池スタックアセンブ
リが生成する電流を調節する手段をさらに備える請求項1に記載の燃料電池シス
テム。 - 【請求項18】 前記燃料電池システムは、前記燃料電池スタックアセンブ
リが生成する電流を受け取りそこから出力電力を生成するように構成されている
電力管理モジュールをさらに備える請求項1に記載の燃料電池システム。 - 【請求項19】 前記電力管理モジュールは、電流の電圧を選択的に調節す
るためのDC‐DC変換器を備える請求項18に記載の燃料電池システム。 - 【請求項20】 前記変換器は、前記燃料電池スタックアセンブリからの電
流を受け取り所定の電圧を有する電流を生成するために前記電流を調節するよう
に構成されている請求項19に記載の燃料電池システム。 - 【請求項21】 前記変換器は、前記電流の電圧を増加するように構成され
ている請求項19に記載の燃料電池システム。 - 【請求項22】 前記変換器は、前記電流の電圧を減少するように構成され
ている請求項19に記載の燃料電池システム。 - 【請求項23】 前記電力管理モジュールは、前記燃料電池スタックアセン
ブリが生成する電流をAC電流に変換するように構成されているインバータを少な
くとも1つ備える請求項18に記載の燃料電池システム。 - 【請求項24】 前記電力管理モジュールは、前記燃料電池スタックアセン
ブリが生成する電流の少なくとも一部を受け取り選択的に蓄えるように構成され
ているバッテリアセンブリを備える請求項18に記載の燃料電池システム。 - 【請求項25】 前記バッテリアセンブリは、少なくとも1つのバッテリと
少なくとも1つの充電器を備える請求項24に記載の燃料電池システム。 - 【請求項26】 前記燃料電池システムは、前記複数の燃料電池スタックの
前記作動状態を選択的に調節するように構成されている制御装置を具備した制御
システムをさらに備える請求項1に記載の燃料電池システム。 - 【請求項27】 前記制御装置は、適用負荷の大きさに少なくとも部分的に
応じて前記複数の燃料電池スタックの前記作動状態を調節するように構成されて
いる請求項26に記載の燃料電池システム。 - 【請求項28】 前記制御装置は、前記生成水素流の流量に少なくとも部分
的に応じて前記複数の燃料電池スタックの前記作動状態を調節するように構成さ
れている請求項26に記載の燃料電池システム。 - 【請求項29】 前記制御システムは、前記燃料電池スタックのそれぞれに
係る複数のセンサアセンブリをさらに備え、前記制御装置は前記センサアセンブ
リからの入力に少なくとも部分的に応じて前記複数の燃料電池スタックの前記作
動状態を調節するように構成されている請求項26に記載の燃料電池システム。 - 【請求項30】 前記燃料電池システムは複数の接続器を備え、前記燃料電
池スタックは、それぞれ、前記複数の接続器と関連付けられており、前記複数の
接続器は、それぞれ、前記対応する燃料電池スタックが適用負荷から分離される
第一作動状態と、前記対応する燃料電池スタックが適用負荷から分離されない第
二作動状態とを少なくとも含む複数の作動状態を有する請求項1に記載の燃料電
池システム。 - 【請求項31】 前記燃料電池システムは、前記複数の接続器と通信し、前
記接続器の作動状態を選択的に制御するように構成されている制御装置を具備し
た制御システムを備える請求項30に記載の燃料電池システム。 - 【請求項32】 前記燃料電池システムは、前記生成水素流の少なくとも一
部を受け取り、受け取った生成水素流を前記複数の燃料電池スタックに選択的に
分配するように構成されているマニホールドアセンブリを備える請求項1に記載
の燃料電池システム。 - 【請求項33】 前記燃料電池システムは、前記複数の燃料電池スタックの
作動状態を選択的に調節するように構成されている制御装置を具備した制御シス
テムをさらに備え、前記制御装置は、前記生成水素流の前記複数の燃料電池スタ
ックへの分配を選択的に調節するための前記マニホールドアセンブリと通信する
請求項32に記載の燃料電池システム。 - 【請求項34】 前記マニホールドアセンブリは、さらに、空気搬送システ
ムから空気流を受け取り、受け取った空気流を前記複数の燃料電池スタックへと
搬送するように構成されており、前記制御装置は、前記空気流の前記複数の燃料
電池スタックへの分配を選択的に調節するように構成されている請求項33に記
載の燃料電池システム。 - 【請求項35】 前記マニホールドアセンブリは、さらに、空気搬送システ
ムから空気流を受け取り、受け取った空気流を前記複数の燃料電池スタックへ選
択的に分配するように構成されている請求項32に記載の燃料電池システム。 - 【請求項36】 前記燃料電池システムは、前記マニホールドアセンブリに
よる前記複数の燃料電池スタックへの前記空気流の分配を選択的に調節するよう
に構成されている制御装置を具備した制御システムを備える請求項35に記載の
燃料電池システム。 - 【請求項37】 前記マニホールドアセンブリは、さらに、冷却液搬送シス
テムから冷却液流を受け取り、受け取った冷却液流を前記複数の燃料電池スタッ
クへ選択的に分配するように構成されている請求項32に記載の燃料電池システ
ム。 - 【請求項38】 前記燃料電池システムは、前記マニホールドアセンブリに
よる前記複数の燃料電池スタックへの前記冷却液流の分配を選択的に調節するよ
うに構成されている制御装置を具備した制御システムを備える請求項37に記載
の燃料電池システム。 - 【請求項39】 前記燃料電池システムは、空気流を空気搬送システムから
受け取り、受け取った空気流を前記複数の燃料電池スタックへ選択的に分配する
ように構成されているマニホールドアセンブリをさらに備える請求項1に記載の
燃料電池システム。 - 【請求項40】 前記マニホールドアセンブリは、さらに、前記空気流を前
記複数の燃料電池スタックのうち第一作動状態にあるもののみに分配するように
構成されている請求項39に記載の燃料電池システム。 - 【請求項41】 前記燃料電池システムは、前記マニホールドアセンブリと
通信する制御装置を具備した制御システムをさらに備え、前記制御装置は前記燃
料電池スタックへの前記空気流の分配を調節するように構成されている請求項3
9に記載の燃料電池システム。 - 【請求項42】 前記燃料電池システムは、冷却液流を空気流搬送システム
から受け取り、受け取った冷却液流を前記複数の燃料電池スタックに選択的に分
配するように構成されているマニホールドアセンブリをさらに備える請求項1に
記載の燃料電池システム。 - 【請求項43】 前記燃料電池システムは、前記マニホールドアセンブリと
通信する制御装置を具備した制御システムをさらに備え、前記制御装置は前記冷
却液流の前記燃料電池への分配を調節するように構成されている請求項42に記
載の燃料電池システム。 - 【請求項44】 前記燃料電池システムは、適用負荷の大きさを選択的に制
限するように構成されている制御装置を具備した制御システムをさらに備える請
求項1に記載の燃料電池システム。 - 【請求項45】 前記制御システムは、前記燃料電池スタックアセンブリ内
の前記燃料電池スタックの最大定格電力出力の合計に少なくとも部分的に応じて
適用負荷の大きさを調節するように構成されている請求項44に記載の燃料電池
システム。 - 【請求項46】 前記制御システムは、前記燃料電池スタックのうち第一作
動状態にあるものの最大定格電力出力の合計に少なくとも部分的に応じて適用負
荷の大きさを調節するように構成されている請求項44に記載の燃料電池システ
ム。 - 【請求項47】 前記燃料電池システムが、適用負荷の少なくとも一部を前
記燃料電池スタックアセンブリに適用するように構成されているエネルギ消費装
置を備える請求項1に記載の燃料電池システム。 - 【請求項48】 前記エネルギ消費装置は、それぞれが適用負荷の一部を適
用するように構成されている複数の装置を備え、前記複数の装置のそれぞれが、
少なくとも各装置が適用負荷の一部を適用する第一作動状態と各装置が適用負荷
の一部を適用しない第二作動状態とを少なくとも含む複数の作動状態を有する請
求項47に記載の燃料電池システム。 - 【請求項49】 前記複数の装置のそれぞれが切換モジュールを備え、前記
切換モジュールは相互に通信し合って前記複数の装置の作動状態を調節するよう
に構成されている請求項48に記載の燃料電池システム。 - 【請求項50】 前記複数の装置のそれぞれが他の装置に対して優先順位を
有し、前記切換モジュールは前記装置の優先順位に少なくとも部分的に応じて前
記作動状態を選択的に制御するように構成されている請求項49に記載の燃料電
池システム。 - 【請求項51】 前記燃料電池スタックのそれぞれが複数の燃料電池を備え
る請求項1に記載の燃料電池システム。 - 【請求項52】 前記燃料電池スタックのそれぞれが共通の端板の間で接続
された複数の燃料電池を備える請求項1に記載の燃料電池システム。 - 【請求項53】 前記システムは、前記燃料電池スタックのそれぞれに空気
流を搬送するように構成されている空気搬送システムをさらに備える請求項1に
記載の燃料電池システム。 - 【請求項54】 前記システムは、前記燃料電池スタックのそれぞれに冷却
液流を搬送するように構成されている冷却液搬送システムをさらに備える請求項
1に記載の燃料電池システム。 - 【請求項55】 前記燃料電池スタックのそれぞれが、前記燃料電池スタッ
クのそれぞれに冷却液を搬送するように構成されている冷却液搬送システムと液
体で通信する請求項1に記載の燃料電池システム。 - 【請求項56】 前記燃料処理アセンブリは少なくとも1つの燃料処理装置
を備える請求項1に記載の燃料電池システム。 - 【請求項57】 前記燃料処理アセンブリは少なくとも1つの水蒸気改質器
を備える請求項1に記載の燃料電池システム。 - 【請求項58】 エネルギ消費装置のための負荷制御システムであって、 ある大きさの適用負荷をエネルギ生成装置に適用し、それぞれが適用負荷の少
なくとも一部分を適用する第一作動状態と適用負荷の少なくとも一部分を適用し
ない第二作動状態とを含む複数の作動状態を有する複数の装置を備えるエネルギ
消費装置と、 前記複数の装置と通信し、前記複数の装置の前記作動状態を少なくとも部分的
に所定の階層性に応じて選択的に制御する切換モジュールアセンブリとを備える
負荷制御システム。 - 【請求項59】 前記所定の階層性は前記切換モジュールアセンブリに記憶
されている請求項58に記載の負荷制御システム。 - 【請求項60】 前記所定の階層性は少なくとも2つのレベルの階層性を含
んでいる請求項58に記載の負荷制御システム。 - 【請求項61】 前記切換モジュールアセンブリは、前記適用負荷の大きさ
に少なくとも部分的に応じて前記複数の装置の作動状態を制御するように構成さ
れている請求項58に記載の負荷制御システム。 - 【請求項62】 前記エネルギ消費装置の有効電力出力を越える大きさの適
用負荷に応じて、前記切換モジュールアセンブリが前記複数の装置のうち少なく
とも1つを第一作動状態から第二作動状態へと切り換えるように構成されている
請求項61に記載の負荷制御システム。 - 【請求項63】 前記切換モジュールアセンブリは、前記複数の装置に係る
複数の切換モジュールを備える請求項58に記載の負荷制御システム。 - 【請求項64】 前記複数の装置のそれぞれが前記複数の切換モジュールの
うちの1つと直接通信する請求項63に記載の負荷制御システム。 - 【請求項65】 前記複数の装置のそれぞれが前記複数の切換モジュールの
うちの1つと電気的に接続されている請求項63に記載の負荷制御システム。 - 【請求項66】 前記複数の装置のそれぞれがプラグを備え、前記複数の切
換モジュールのそれぞれがプラグを収容するように構成されている請求項63に
記載の負荷制御システム。 - 【請求項67】 前記複数の装置のそれぞれが一体化された切換モジュール
を備える請求項63に記載の負荷制御システム。 - 【請求項68】 前記切換モジュールアセンブリが、適用負荷の大きさに少
なくとも部分的に応じて前記装置の作動状態を選択的に制御するように構成され
ている制御装置と通信する請求項58に記載の負荷制御システム。 - 【請求項69】 前記エネルギ消費装置の有効電力出力を越える大きさの適
用負荷に応じて、前記制御装置が前記複数の装置のうち少なくとも1つを第一作
動状態から第二作動状態へと切り換えるように構成されている請求項68に記載
の負荷制御システム。 - 【請求項70】 前記装置は自動車を備える請求項58に記載の負荷制御シ
ステム。 - 【請求項71】 前記装置は家を備える請求項58に記載の負荷制御システ
ム。 - 【請求項72】 前記装置は帆船を備える請求項58に記載の負荷制御シス
テム。 - 【請求項73】 原料から生成水素流を生成するように構成されている燃料
処理アセンブリと、 前記燃料処理アセンブリからの前記生成水素流の少なくとも一部を受け取り、
そこからある大きさの適用負荷を少なくとも部分的に満足する電流を生成するよ
うに構成されている燃料電池スタックアセンブリとを備え、 前記燃料電池スタックアセンブリは、それぞれが最大定格電力出力を有する複
数の燃料電池スタックを含み、前記複数の燃料電池スタックの最大定格電力出力
の合計が前記燃料電池スタックアセンブリの最大要求電力出力より大きいスタッ
ク冗長性を有する燃料電池システム。 - 【請求項74】 前記複数の燃料電池スタックの最大定格電力出力の合計が
、前記燃料電池スタックアセンブリの最大要求電力出力より、少なくとも前記複
数の燃料電池スタックのうちの1つの燃料電池スタックの最大定格電力出力分だ
け大きい請求項73に記載の燃料電池システム。 - 【請求項75】 前記複数の燃料電池スタックの最大定格電力出力の合計が
、前記燃料電池スタックアセンブリの最大要求電力出力より、少なくとも前記複
数の燃料電池スタックのうちの2つの燃料電池スタックの最大定格電力出力の合
計分だけ大きい請求項73に記載の燃料電池システム。 - 【請求項76】 原料から生成水素流を生成するように構成されている燃料
処理アセンブリを備え、 前記燃料処理アセンブリは、前記生成水素流の少なくとも一部を受け取り、そ
こからある大きさの適用負荷を少なくとも部分的に満足する電流を生成するよう
に構成されている複数の燃料処理装置を備え、 前記燃料処理アセンブリは、前記生成水素流の最大要求流量を生成するように
構成され、前記複数の燃料処理装置はそれぞれ最大流量を有し、前記生成水素流
の少なくとも一部を形成する出力流を生成するように構成されており、前記出力
流の最大流量の合計が前記生成水素流の最大要求流量より大きい燃料処理装置冗
長性を有する燃料電池システム。 少なくとも1つの燃料電池スタックが前記生成水素流の少なくとも一部を受け
取りそこから電流を生成する。 - 【請求項77】 前記出力流の最大流量の合計が、少なくとも1つの前記燃
料処理装置の最大流量分だけ前記生成水素流の最大要求流量より大きい請求項7
6に記載の燃料電池システム。 - 【請求項78】 前記出力流の最大流量の合計が、少なくとも2つの前記燃
料処理装置の最大流量の合計分だけ前記生成水素流の最大要求流量より大きい請
求項76に記載の燃料電池システム。
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