JP2008535159A - 燃料組成が変化する燃料によって動作する燃料電池システムと共に使用するためのガス流量制御構体 - Google Patents

Abstract

燃料電池システムにおいて使用するためのガス流量制御構体であって、燃料電池システムのアノード側から出る排気ガス中の含有量変化に基づいて、燃料電池システムのカソード側へ流れる空気の流量を調整する空気流量制御構体と、空気流量制御構体による空気流量の調整に基づいて、アノード側へ流れる燃料の流量を制御する燃料流量制御構体とを具備するガス流量制御構体。

Description

本発明は燃料電池に関し、特に、燃料電池システムにおいて使用するためのガス流量制御構体に関する。

燃料電池は、炭化水素燃料中に蓄積された化学エネルギーを電気化学反応によって電気エネルギーに直接変換する装置である。一般に、燃料電池は、電解質により分離されたアノード及びカソードを具備する。電解質は帯電イオンを伝導する働きをする。有用な電力レベルを生成するために、各燃料電池の間に導電性セパレータプレートを挟みながら、多数の個別の燃料電池が直列に積重ねられる。

燃料電池は、アノードに反応性燃料ガスを通し、カソードに酸化ガスを通すことにより動作する。燃料電池システムの電気出力は、燃料ガス及び酸化ガスがアノード及びカソードにそれぞれ供給され、アノード及びカソードを通してそれぞれ搬送される際の流量、並びに燃料のエネルギー含有量によって、ある程度決まる。従って、燃料電池性能を最適化し、燃料電池システムから所望の電気出力を得るためには、燃料が電池に供給される際の流量を精密に制御する必要がある。

従来の燃料電池システムは、通常、燃料電池の電力出力に従って燃料電池のアノードに供給される燃料ガスの流量を制御するために質量流量制御装置を採用していた。また、従来のシステムは、燃料電池システムに供給されている燃料の組成を判定するためにオンライン燃料組成解析装置を採用していた。特に、組成解析装置による燃料組成判定及び電池の電力出力に基づいて燃料電池へ送り出される燃料の量を制御するために、質量流量制御装置はオンライン燃料組成解析装置と組み合わせて使用されていた。

アノードに供給される燃料の流量を制御する従来の方法が高価で複雑な機器を使用しなければならないことは理解できよう。更に、解析される燃料の水分含有量が多い場合やオンライン燃料組成解析装置の長期間動作後には、解析装置の信頼性が著しく低下する。従って、燃料含有量を継続して正確に判定するためには、解析装置を頻繁に再校正する必要がある。そこで、高価な機器を必要とせずに、アノードに供給される燃料の流量を制御する正確で信頼性の高い手段が必要とされる。

従って、本発明の目的は、動作が長期間にわたっても高い信頼性を示し、燃料中の水分レベルにより影響を受けずに燃料の流量を制御するガス流量制御構体を提供することである。

本発明の別の目的は、検出された燃料組成の変化に基づいて、高い精度で燃料流量を調整できるガス流量制御構体を提供することである。

本発明の原理によれば、上記の目的及び他の目的は、燃料電池システムで使用するためのガス流量制御構体であって、燃料電池システムのアノード側から出る排気ガス中の含有量変化に基づいて又はそれに応答して、燃料電池システムのカソード側に供給される空気の流量を調整する空気流量制御構体と、空気流量制御構体による空気流量の調整に基づいて、燃料電池システムのアノード側に供給される燃料の流量を制御する燃料流量制御構体とを具備するガス流量制御構体において実現される。燃料電池システムは、未反応燃料を含むアノード排気ガスを使用して空気を予熱する酸化構体を含み、空気流量制御構体は、酸化構体において空気を所定の温度まで予熱するように空気流量を調整する。空気流量制御構体は、空気流量設定値を調整する空気トリムコントローラと、システムに対して調整された空気流量設定値と等しくなるように空気流量を維持する空気流量コントローラとを含み、空気トリムコントローラは、調整値を判定するために予熱空気の温度を所定の温度と比較し、調整値に基づいて空気流量設定値を調整する。空気流量設定値は、ＤＣ電流、所望の燃料流量、期待燃料加熱値及び周囲温度に基づく所定の空気流量である。予熱空気の温度が所定の温度より低い場合、空気トリムコントローラは調整値を減少させ、予熱空気の温度が所定の温度より高い場合は、空気トリムコントローラは調整値を増加させる。調整値は空気流量調整に正比例する。

燃料流量制御構体は、システムに対する燃料流量設定値を調整する燃料トリムコントローラと、燃料流量を測定して調整された燃料流量設定値に維持するための燃料流量コントローラとを含む。燃料流量設定値は、ＤＣ電流、必要最小限の燃料流量を超える所望の過剰量及び期待燃料加熱値に基づく所定の燃料流量である。燃料トリムコントローラは、空気トリムコントローラにより計算された調整値を受信し、空気トリムコントローラの調整値を所定の範囲内に維持するように燃料流量設定値を加減する。特に、温度が所定の温度より高い場合、空気トリムコントローラは、予熱空気の温度の上昇に対して調整値を設定量、例えば１だけ増分し、予熱空気の温度の下降に対しては調整値を設定量だけ減分する。また、温度が所定の温度より低い場合には、空気トリムコントローラは、予熱空気の温度の低下に対して調整値を設定量、例えば１だけ減分し、予熱空気の温度の上昇に対しては調整値を設定量だけ増分する。燃料トリムコントローラは、空気トリムコントローラの調整値を０とマイナス（−）の設定量、例えば−１との間に維持するように燃料流量設定値を調整する。

ガス流量制御構体を採用する燃料電池システムも開示される。

図１は、本発明の原理に従うガス流量制御構体１０１を採用する燃料電池システム１００を示す図である。ガス流量制御構体１０１は、燃料流量計及び自動化制御弁を含んでもよい燃料流量コントローラ１２４と、空気流量計及び自動化制御弁を含んでもよい空気流量コントローラ１２６と、空気トリムコントローラ１２８と、燃料トリムコントローラ１３０とを含み、これら全てのコントローラは、システム１００の燃料電池１０２のアノード側１０４に至る燃料の流れ（フロー）及びカソード側１０６に至る空気の流れをそれぞれ制御するために使用される。燃料電池１０２のアノード側とカソード側とは、電解質１０８により分離される。

燃料電池システムは、燃料電池１０２のアノード側１０４に燃料ガスを供給する燃料供給源１１０と、燃料ガスに給湿する水供給源１１４と、燃料電池１０２のカソード側１０６にオキシダントガスを供給する空気供給源１１６と、アノード排気オキシダイザ１１８とを更に含む。燃料処理構体１２０は燃料を洗浄し、熱交換器１２２は、燃料が燃料電池１０２のアノード側１０４に入る前に燃料に給湿して燃料を予熱する。

システム１００において、燃料供給源１１０からの燃料は、燃料トリムコントローラ１３０により判定されかつ燃料制御構体１０１の燃料流量コントローラ１２４により制御される流量で燃料処理構体１０２に供給される。燃料処理構体１２０は、燃料が燃料電池のアノード１０４において使用するのに適する状態となるように燃料を洗浄し、燃料を更に処理する。燃料処理構体１２０は脱硫装置を含んでもよい。燃料電池のアノード１０４に入る前に、処理済み燃料は、まず熱交換器１２２へ搬送される。熱交換器１２２において、燃料は水供給源１１４から供給された水と混合され、３００℃の温度まで予熱される。熱交換器１２２は、予備改質装置及び脱酸装置を更に含んでもよい。給湿及び予熱された燃料は、その後、燃料電池のアノード１０４へ搬送され、アノードにおいて電気化学反応を受け、電気出力を生成する。

未使用燃料を含むアノード排気ガスは、アノード１０４からアノード排気オキシダイザ１１８へ搬送される。また、アノード排気オキシダイザは、空気トリムコントローラ１２８によって調整された空気流量設定値まで空気流量コントローラ１２６により制御された後に、空気供給源１１６から供給される空気を受取る。アノード排気オキシダイザ１１８において、空気はアノード排気ガスと混合され、燃焼されて、加熱空気又は加熱オキシダントガスと、二酸化炭素とを生成する。

予熱されたオキシダントガスの温度は、アノード排気ガス中に存在する未反応燃料の量及びオキシダイザに供給される空気の空気流量によって決まる。明らかなように、アノード排気ガス中の未反応燃料の量は、燃料流量及び燃料の加熱値、すなわち、燃料を燃焼することにより生成されるエネルギーの量によってある程度決まるが、このエネルギー量自体は燃料含有量の変化によって左右される。

オキシダイザ１１８から出た加熱オキシダントガスは、その後、燃料電池１０２のカソード側入口１０６ａへ搬送される。消耗されたオキシダントガスは、カソード出口１０６ｂを通ってカソード１０６から排出され、熱交換器１２２を通過する。熱交換器１２２において、排気オキシダントガスからの熱は、燃料と水との混合物を予熱するために伝達される。排気オキシダントガスに残留する熱は、熱交換器１２２を出た後、蒸気形成又は空間暖房を含む多様な用途に使用されてもよい。

前述され図１に示されるように、燃料供給源１１０からの燃料の燃料流量は、燃料流量コントローラ１２４により制御される。燃料流量コントローラ１２４は、ガス流量制御構体１０１の燃料トリムコントローラ１３０により加減される燃料流量設定値を受信する。一方、空気供給源１１６からの空気の空気流量は、空気流量コントローラ１２６により、構体１０１の空気トリムコントローラ１２８によって判定された設定値に制御される。

特に、燃料ガスは、燃料電池１０２の最適な動作及び電気出力を実現するために必要な燃料流量であるのが好ましい所定の流量で燃料供給源１１０からシステム１００に供給される。本明細書中で説明される例の場合、電気出力を生成するために、燃料流量は燃料電池１０２のアノード１０４において消費される量を約４０％超える。

燃料流量を過剰にすると、結果として、アノード排気ガス中に未反応燃料が存在するようになる。未反応燃料は、オキシダイザ１１８において、空気を燃焼して必要な温度まで予熱するために使用される。所定の燃料流量は、システム１００の所望の電気出力及び燃料供給源１１０から供給される燃料ガスの加熱値又は水素含有量に基づいて判定される。燃料流量コントローラ１２４は熱質量燃料流量計を具備してもよい。燃料流量コントローラ１２４は供給源１１０からの燃料流量を測定し、燃料組成及び燃料加熱値の変化に基づいて流量を部分的に修正し、燃料流量を前述した所定の燃料流量設定値に制御する。

加熱値又は制御された実際の燃料流量が期待値から変化した場合、燃料トリムコントローラ１３０は、空気トリムコントローラ１２６からの入力に基づいて、以下に更に詳細に説明される自動燃料流量調整ロジックを使用して所定の燃料流量設定値を調整する。

前述され図１に示されるように、空気供給源１１６からの空気の空気流量は、空気流量コントローラ１２６により、空気トリムコントローラ１２８により調整された空気流量設定値に制御される。空気トリムコントローラ１２８は、所望の電気出力及び空気供給源１１６から供給される空気の温度に基づいて判定される所定の空気流量設定値を加減する。

本発明によれば、空気トリムコントローラ１２８は、オキシダイザ１１８において予熱されてカソード入口１０６ａに供給されるオキシダントガスを所定の温度又は設定値温度ＴＳＰに維持するように、所定の空気流量設定値を調整する。以下に更に詳細に説明されるように、空気トリムコントローラ１２８は、カソード入口１０６ａに流入するオキシダントガスの温度を設定値温度ＴＳＰと比較し、調整値又は空気トリム値を計算し、その後、計算された空気トリム値に基づいて空気流量設定値を調整する。空気トリムコントローラ１２８により計算された空気トリム値が０である場合、空気トリムコントローラ１２８による空気流量設定値の変更は実行されない。計算された空気トリム値が正である場合、空気トリムコントローラ１２８は空気流量設定値を空気トリム値に比例する量だけ増加し、空気トリム値が負である場合、空気トリムコントローラ１２８は空気流量設定値を空気トリム値に比例する量だけ減少する。

特に、空気トリムコントローラ１２８の動作は、図２に示されるフローチャートに更に詳細に示される。図示されるように、第１のステップＳ１において、コントローラ１２８は、カソード入口１０６ａに入るオキシダントガスの温度を測定する。次のステップＳ２において、空気トリムコントローラ１２８は、第１のステップＳ１で求められたオキシダントガスの温度を設定値温度ＴＳＰと比較する。前述のように、オキシダイザ１１８からの予熱オキシダントガスの温度は、空気流量及びアノード排気ガス中に存在する未反応燃料の量によって決まる。設定値温度ＴＳＰは、アノード排気ガスが最適な燃料含有量を有しかつ空気流量が空気トリムコントローラ１２８により判定された加減されない一定の設定値である場合について設定された所定の温度である。

特に、アノード排気ガス中の燃料含有量は燃料の加熱値に直接関係し、所定の燃料流量は燃料の最高期待加熱値に基づいて設定される。そのような場合、システム１０１に供給される燃料が最高期待加熱値を有するときに、アノード排気ガス中の燃料含有量は最適である。システムの動作中、燃料の含有量は最適含有量からずれ、その結果、オキシダイザ１１８からの予熱オキシダントガスの温度は設定値温度ＴＳＰから変化する。そのような燃料含有量の変化が起こった場合、空気流量又は燃料流量あるいはその双方を調整することにより、加熱オキシダントガスの温度を設定値温度ＴＳＰに維持できる。

特に、アノード排気中の燃料含有量が最適な含有量より小さく、カソード入口温度が設定値温度ＴＳＰより低い場合、設定値温度ＴＳＰに達するまで空気流量を減少させるか又は燃料流量を増加させることにより、カソード入口温度を設定値温度ＴＳＰに戻すことができる。これに対し、アノード排気中の燃料含有量が最適な含有量を超える場合には、カソード入口温度を設定値温度まで下げるように空気流量を増加するか又は燃料流量を減少させることにより、設定値温度ＴＳＰに到達できる。

図２を再度参照すると、ステップＳ２において、ステップＳ１で求められたオキシダントガスのカソード入口温度が設定値温度ＴＳＰと等しいと空気トリムコントローラ１２８が判定した場合、アノード排気中の燃量含有量は最適値であり、空気トリムコントローラ１２８はステップＳ３において空気トリム値を０に設定し、ステップＳ８へ進む。そのような場合、空気流量設定値は空気トリムコントローラ１２８により変更されないため、空気流量設定値は先に説明した予め定められた一定の空気流量設定値のままである。その後、空気流量は、空気流量コントローラ１２６によりこの設定値に制御される。

ステップＳ２において、オキシダントガスのカソード入口温度が設定値温度ＴＳＰと等しくないと空気トリムコントローラが判定した場合は、ステップＳ４に進み、空気トリムコントローラは、オキシダントガスのカソード入口温度が設定値温度ＴＳＰより高いか否かを判定する。高い場合、空気トリムコントローラは、ステップＳ４１に進み、オキシダントガスのカソード入口温度がカソード入口温度の前回の測定値と等しいか又はその値から所定の範囲内にあるか否かを判定する。等しいか又は所定の範囲にある場合、処理はステップＳ７へ進み、現在の空気トリム値が維持される。一方、ステップＳ４１で、等しくもなく所定の範囲内にもない場合、処理はステップＳ４２へ進み、オキシダントガスのカソード入口温度が前回に測定されたカソード入口温度の値より高いか否かが判定される。高くない場合、処理はステップＳ６へ進み、空気トリムコントローラは、本実施形態の場合には１である所定の増分値だけ空気トリム値を減少させる。高い場合は、ステップＳ５において、空気トリムコントローラは空気トリム値を増分値１だけ増加させる。

ステップＳ４において、オキシダントガスのカソード入口温度が設定値温度ＴＳＰ以下であると空気トリムコントローラが判定した場合、ステップＳ４３に進み、空気トリムコントローラは、オキシダントガスのカソード入口温度が前回に測定されたカソード入口温度の値と等しいか又はその値から所定の範囲内にあるか否かを判定する。等しいか又は所定の範囲にある場合、処理はステップＳ７へ進み、空気トリムコントローラは空気トリム値を維持する。一方、等しくなくかつ所定の範囲内にもない場合は、処理はステップＳ４４へ進み、空気トリムコントローラは、オキシダントガスのカソード入口温度が前回に測定されたカソード入口温度より高いか否かを判定する。高くない場合、ステップＳ６に進み、空気トリムコントローラは空気トリム値を所定の増分値１だけ減少する。高い場合は、ステップＳ５に進み、空気トリムコントローラは空気トリム値を増分値１だけ増加する。

ステップＳ５、Ｓ６又はＳ７において判定された空気トリム値は、ステップＳ８において、空気トリムコントローラ１２８により空気流量設定値に対する調整を計算するために使用される。調整後の空気流量設定値は空気流量コントローラに提供される。このステップにおいて、以下の式を使用して所定の空気流量設定値ＡＳＰに対する修正が実行され、修正後の空気流量設定値ＡＳＰは空気流量コントローラ１２６に提供される：
調整空気流量＝ＡＳＰ＋空気トリム^＊１２ （１）
式中、調整空気流量は、空気流量コントローラ１２６に提供される空気流量設定値であり、ＡＳＰは、ＤＣ電流、期待燃料流量（燃料流量の期待値）、燃料の期待加熱値（加熱値の期待値）及び空気供給源１１６からの空気の温度に基づく所定の空気流量設定値であり、空気トリムは、ステップＳ５、Ｓ６又はＳ７において空気トリムコントローラ１２８により計算された空気トリム値である。

式（１）からわかるように、空気トリム値が０に等しい場合、調整空気流量は一定の空気流量の設定値ＡＳＰと等しくなる。空気トリム値が正であると、より多くの空気がオキシダイザ１１８に供給されるように、調整流量は増加する。空気トリム値が負である場合には、調整流量は流量の設定値ＡＳＰより小さくなり、従って、空気供給源からオキシダイザ１１８に供給される空気は減少する。空気トリムコントローラ１２８の動作のステップＳ９において、空気の流れは、ステップＳ８において計算された調整空気流量でアノード排気オキシダイザに供給される。

ガス流量制御構体１０１の空気トリムコントローラ１２８による空気流量設定値の調整によって、オキシダントガスは、燃料電池のカソード１０６へ搬送される前に温度設定値ＴＳＰまで加熱され、その結果、適正な量のオキシダントガスがカソードへ送り出される。更に、図１及び図２に示されかつ上述されたように、空気トリムコントローラ１２８の動作は、燃料電池システムに対する燃料流量を制御するためのフィードバックとして燃料トリムコントローラにより使用される。

特に、空気トリムコントローラ１２８により計算される空気トリム値の変化は、システムの動作中における燃料ガスの含有量（組成及び加熱値）の変化に正比例する。本発明によれば、空気トリム値の変化を感知し、その変化に応答して燃料流量設定値を調整するために、ガス流量制御構体１０１の燃料トリムコントローラは自動燃料流量調整ロジックを使用する。特に、空気トリムコントローラ１２８による空気トリム値の変更に応答して、燃料トリムコントローラ１３０は、空気トリム値を所定の範囲内に維持するように燃料流量設定値を調整する。本実施形態の構成においては、維持される所定の空気トリム値の範囲は０〜−１である。燃料流量設定値は、燃料の現在の期待加熱値と、電気出力を生成するために燃料電池１０２のアノード１０４において消費される量を超える所望の過剰燃料流量とに基づく所定の値である。

従って、燃料トリムコントローラ１３０が空気トリムコントローラにより計算される空気トリム値の減少を感知すると、燃料トリムコントローラ１３０は、空気トリム値を所定の範囲内にするように追加の燃料流量を供給するために燃料流量設定値を変更する。同様に、燃料トリムコントローラにより空気トリム値の増加が感知された場合には、空気トリム値が所定の範囲内に入るまで燃料の量を減少するために、燃料流量設定値は燃料トリムコントローラ１３０により修正される。

次に、図３を参照して、燃料トリムコントローラ１３０の動作を詳細に説明する。図３は、燃料トリムコントローラ１３０の自動燃料流量調整ロジックを示すフローチャートである。図３に示されるように、第１のステップＳ１０１において、燃料トリムコントローラ１３０は、空気トリムコントローラ１２８により計算された空気トリム値の変化を示す信号を空気トリムコントローラ１２８から受信する。

自動燃料流量調整ロジックの第２のステップＳ１０２において、燃料トリムコントローラ１３０は、空気トリム値が０に等しいか否かを判定する。空気トリム値が０である場合、燃料流量設定値に対する調整は実行されない。空気トリム値が０に等しくないと調整ロジックが判定した場合には、動作はステップＳ１０３へ進み、燃料トリムコントローラ１０３は、空気トリムコントローラ１２８により判定された空気トリム値を０に変化させるように燃料水素含有量パラメータＴ_Ｈ２を変化させることにより、ステップＳ１０４において燃料流量を変化させる。水素含有量パラメータＴ_Ｈ２は、１立方フィートの燃料から生成される立方フィート単位の水素の体積を表すパラメータである。例えば、９９％よりも多いメタンを含有する燃料ガスのＴ_Ｈ２は４である。従って、パラメータＴ_Ｈ２はガス組成及び加熱値を確定し、燃料流量設定値を計算するために使用される。高いＴ_Ｈ２は加熱値の高い燃料ガスを示し、低いＴ_Ｈ２は加熱値の低いガスを示す。

ステップＳ１０３において、Ｔ_Ｈ２パラメータは小さな増分又は減分で調整される。本実施形態の場合、Ｔ_Ｈ２パラメータの調整増分は０．０２であってもよい。Ｔ_Ｈ２パラメータは、空気トリムコントローラ１２８により計算される空気トリム値が所望の値、この場合には「０」に到達するまで調整される。調整後のＴ_Ｈ２パラメータは所定の最高期待値を超えてはならない。更に、燃料トリムコントローラ１３０によるＴ_Ｈ２パラメータの許容変化量は限定されてもよい。本実施形態の場合、Ｔ_Ｈ２の最大変化は６％に限定される。Ｔ_Ｈ２パラメータが燃料トリムコントローラ１３０により減少されると、燃料流量設定値は増加され、Ｔ_Ｈ２パラメータが増加された場合には、燃料流量設定値は減少される。

従って、ステップＳ１０３において、燃料トリムコントローラ１３０は、空気トリム値を所望の空気トリム値、例えば「０」に維持するためにＴ_Ｈ２パラメータを能動的に調整する。Ｔ_Ｈ２パラメータの調整後、ステップＳ１０４において燃料流量は変更される。

場合によっては、Ｔ_Ｈ２パラメータが最大許容量分変更された後のように、燃料トリムコントローラ１３０がＴ_Ｈ２パラメータを調整することにより所望の空気トリム値を維持できないこともある。燃料トリムコントローラが所望の空気トリム値を維持できない場合には、燃料トリムコントローラの動作はステップＳ１０５へ進む。同様にステップＳ１０４に続くステップＳ１０５においては、燃料トリムコントローラ１３０は、空気トリム値が−１未満であるか否かを判定する。−１未満である場合、動作はステップＳ１０６へ進み、高燃料トリム警報がトリガされる。高燃料トリム警報は、燃料の加熱値が期待値より著しく低いこと及びＴ_Ｈ２パラメータを減少することにより、燃料トリムが既に最大許容範囲まで調整されたことを示す。高燃料トリム警報は、燃料の加熱値を検査することをオペレータに促す。燃料の加熱値が更に変化すれば、空気トリム値は「−１」を更に下回るまで減少し続けることもある。この場合、図２に関して上述したように、カソードに流入するガスの温度を所望の温度設定値に維持するために、空気トリムコントローラ１２８は空気トリム値を変更する。この変更は総空気流量に影響を及ぼす。

空気トリム値が正である場合、空気トリム値が「０」に到達するまで又はＴ_Ｈ２パラメータが所定の最高期待値に到達するまで、燃料トリムコントローラ１３０はＴ_Ｈ２パラメータを増加する。燃料ガスの加熱値が最高期待加熱値を超えて更に増加すると、空気トリム値は更に増加し続けることがある。

ステップＳ１０６における高燃料トリム警報のトリガに続いて、又はステップＳ１０５において空気トリム値が正であると燃料トリムコントローラ１３０が判定した場合、調整ロジックの動作はステップＳ１０７へ進む。ステップＳ１０７において、燃料トリムコントローラ１３０は、空気トリム値が所定の値、例えば５より大きいか又は所定の値、例えば−５より小さいかを判定する。図３に示されるように、空気トリム値が５より大きいか又は−５より小さい場合、動作はステップＳ１０８へ進み、高空気トリム警報がトリガされる。高燃料トリム警報のトリガを伴わない高空気トリム警報のトリガは、燃料ガスの加熱値が最高期待値より著しく高いことを示す。高燃料トリム警報を伴う高空気トリム警報のトリガは、燃料ガスの加熱値が期待値より著しく低く、燃料トリムコントローラ１３０がそれ以上の補正を実行できないことを意味する。この警報は、修正行動を開始することをオペレータに促す。

図１に示されるような燃料流料トリム制御を伴うガス流量制御構体１０１を採用するシステム１００の性能を試験し、そのような制御を伴わない同一のシステムと比較した。図４は、試験されたシステムの性能データを示すグラフである。図４において、Ｘ軸はシステム１００の動作時間を表し、Ｙ軸はｓｃｆｍ単位の流量、アンペア単位のＤＣ電流及びｓｃｆｍ単位の空気流量を表す。燃料トリム制御をインストールしたシステムの性能を試験する際に、燃料流量、空気流量及びシステムにより生成されたＤＣ電流をシステム動作中に記録した。

第１の動作期間の間、試験された燃料電池システムは、システムに対する燃料流量を修正するために、燃料トリムコントローラ１３０を伴わないガス流量制御構体を採用した。第２の動作期間の間、試験されたシステムは、図１に示されるような燃料トリムコントローラ１３０を採用するガス流量制御構体１０１を含んでいた。グラフからわかるように、第１の動作期間の間、燃料流量は約３０．１ｓｃｆｍでほぼ一定であるが、空気流量が５９０〜７６０ｓｃｆｍの範囲であるように、燃料の含有量の変化によって空気流量に対して頻繁な調整が実行された。

第２の動作期間の間、燃料流量が約２９．３〜３１ｓｃｆｍの範囲となり、空気流量が６３０〜７２０ｓｃｆｍの範囲となるように、燃料流量及び空気流量の双方はガス流量制御システムにより調整された。第１の動作期間及び第２の動作期間の間にシステムにより生成されたＤＣ電流は、約７００アンペアで比較的一定のままであった。図４の性能データからわかるように、燃料トリムコントローラ１３０の自動燃料流量調整ロジックを使用するガス流量制御構体１０１は、システムに供給される燃料流量のより精密な制御を採用し、その結果、空気流量の変化は小さくなる。そのような精密制御により、システムは燃料含有量の変化に迅速に適応できるため、適切な量の燃料がシステムに供給され、システムにより生成される電流は一定レベルに維持される。

いずれの場合にも、先に説明された構成は、本発明の適用用途を表す数多くの可能な特定の実施形態を例示しているにすぎないことが理解される。本発明の原理に従って、本発明の趣旨の範囲から逸脱せずに、他の数多くの変形構成を容易に考案できる。

本発明の上記の特徴及び面並びにその他の特徴及び面は、添付の図面と関連させて以下の詳細な説明を読むことにより更に明らかになるであろう。
図１は、本発明の原理に従うガス流量調整構体を採用する燃料電池システムを示す図である。 図２は、図１のガス流量調整構体の空気トリムコントローラの動作を示すフローチャートである。 図３は、図１のガス流量調整構体の燃料トリムコントローラの動作を示すフローチャートである。 図４は、燃料トリムコントローラを含む場合と燃料トリムコントローラを含まない場合とについて、ガス流量調整構体を採用するシステムの性能データを示すグラフである。

Claims (26)

1. 燃料電池システムで使用するためのガス流量制御構体において、
   前記燃料電池システムのアノード側から出るアノード排気ガスの含有量変化に基づいて、前記燃料電池システムのカソード側へ流れる空気の流量を調整する空気流量制御構体と、
   前記空気流量制御構体による前記空気の流量に対する調整に基づいて、前記燃料電池システムの前記アノード側へ流れる燃料の流量を制御する燃料流量制御構体と
   を具備することを特徴とするガス流量制御構体。
2. 前記燃料電池システムは、未反応燃料を含有する所定の含有量のアノード排気ガスを使用して前記空気を所定の温度まで予熱する酸化構体を含み、
   前記空気流量制御構体は、前記アノード排気ガスの前記含有量の変化によって起こる前記予熱された空気の前記所定の温度からの温度の変化に基づいて前記空気の流量を調整することで、前記所定の温度に予熱された前記空気の前記温度を維持することを特徴とする請求項１記載のガス流量制御構体。
3. 前記空気流量制御構体は、前記空気の流量を空気流量設定値まで制御する空気流量コントローラであって、制御の結果、前記アノード排気ガスの前記含有量が前記所定の含有量となると、前記酸化構体が前記空気を前記所定の温度まで予熱するような空気流量コントローラと、
   前記空気流量設定値を前記空気流量コントローラに供給し、前記予熱された空気の温度を前記所定の温度と比較して調整値を決定し、前記調整値に基づいて前記空気の流量設定値を調整する空気トリムコントローラと
   を含むことを特徴とする請求項２記載のガス流量制御構体。
4. 前記予熱された空気の前記温度が前記所定の温度より低い場合、前記空気トリムコントローラは、前記予熱された空気の前記温度の低下に対して前記調整値を減分し、前記予熱された空気の前記温度の上昇に対しては前記調整値を増分し、前記予熱された空気の前記温度が前記所定の温度より高い場合には、前記空気トリムコントローラは、前記予熱された空気の前記温度の上昇に対して前記調整値を増分し、前記予熱された空気の前記温度の低下に対しては前記調整値を減分し、前記調整値は、前記空気トリムコントローラによる空気流量調整に正比例することを特徴とする請求項３記載のガス流量制御構体。
5. 前記増分の値は１であり、前記空気トリムコントローラは、
   空気の流量＝空気の流量設定値＋調整値＊１２
   であるように前記空気の流量を制御することを特徴とする請求項４記載のガス流量制御構体。
6. 前記燃料流量制御構体は、前記燃料電池システムに対する燃料流量設定値を調整する燃料トリムコントローラを具備し、前記燃料トリムコントローラは、前記空気トリムコントローラにより計算された前記調整値を受信し、前記調整値を所定の範囲内に維持するように前記燃料流量設定値を調整することを特徴とする請求項４記載のガス流量制御構体。
7. 前記増分の値は１であり、前記燃料トリムコントローラは、前記調整値を０〜−１の範囲内に維持するように燃料流量を調整することを特徴とする請求項６記載のガス流量制御構体。
8. 前記燃料トリムコントローラは、前記調整値が−１未満である場合に前記燃料流量を増加することを特徴とする請求項７記載のガス流量制御構体。
9. 前記燃料流量制御構体は、前記燃料トリムコントローラが前記所定の燃料流量設定値を調整した後に、燃料供給源からの燃料流量を前記燃料流量設定値に制御する燃料流量コントローラと、前記燃料流量を測定するための燃料流量計とを更に具備することを特徴とする請求項６記載のガス流量制御構体。
10. 前記燃料電池システムにより所定の電気出力を生成するために、前記所定の燃料流量は必要最小限の燃料流量を超えることを特徴とする請求項９記載のガス流量制御構体。
11. 前記所定の燃料流量は前記必要最小限の燃料流量を４０％超えることを特徴とする請求項１０記載のガス流量制御構体。
12. 前記燃料流量計は熱質量流量計であることを特徴とする請求項１１記載のガス流量制御構体。
13. 前記空気の流量設定値は、前記燃料電池システムの前記所定の電気出力及び前記燃料電池システムに供給される前記空気の温度に基づいて判定されることを特徴とする請求項１２記載のガス流量制御構体。
14. 空気供給源及び燃料供給源と共に使用するための燃料電池システムにおいて、
    アノード側及びカソード側を含む燃料電池と、
    前記アノード側に供給するために、燃料供給源から燃料を受取る燃料入口と、
    カソード側にオキシダントガスを供給するために、前記空気供給源から空気を受取る空気入口と、
    前記空気入口からの空気の空気流量を調整する空気流量制御構体及び前記燃料入口からの燃料の燃料流量を調整する燃料流量制御構体を含むガス流量制御構体と
    を具備し、
    前記燃料流量制御構体は、前記空気流量制御構体による前記空気流量の調整に基づいて前記燃料流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
15. 未反応燃料を含有する所定の含有量のアノード排気ガスを使用して前記空気を所定の温度まで予熱する酸化構体を更に具備し、
    前記空気流量制御構体は、前記アノード排気ガスの前記含有量の変化によって起こる前記予熱された空気の前記所定の温度からの温度の変化に基づいて前記空気流量を調整することで、前記予熱された空気の前記温度を前記所定の温度に維持することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池システム。
16. 前記空気流量制御構体は、
    前記空気流量を空気流量設定値に制御する空気流量コントローラであって、制御の結果、前記アノード排気ガスの前記含有量が前記所定の含有量である場合、前記酸化構体が、前記空気を前記所定の温度まで予熱する空気流量コントローラと、
    前記空気流量設定値を前記空気流量コントローラに提供し、前記予熱された空気の温度を前記所定の温度と比較して調整値を決定し、前記調整値に基づいて前記空気流量を調整する空気トリムコントローラと
    を含むことを特徴とする請求項１５記載の燃料電池システム。
17. 前記予熱された空気の前記温度が前記所定の温度より低い場合、前記空気トリムコントローラは、前記予熱された空気の前記温度の低下に対して前記調整値を減分し、前記予熱された空気の前記温度の上昇に対しては前記調整値を増分し、前記予熱された空気の前記温度が前記所定の温度より高い場合には、前記空気トリムコントローラは、前記予熱された空気の前記温度の上昇に対して前記調整値を増分し、前記予熱された空気の前記温度の低下に対しては前記調整値を減分し、前記調整値は、前記空気トリムコントローラによる空気流量調整に正比例することを特徴とする請求項１６記載の燃料電池システム。
18. 前記空気流量設定値は、前記燃料電池システムの所定の電気出力及び前記空気供給源から供給される前記酸化ガスの温度に基づいて判定されることを特徴とする請求項１７記載の燃料電池システム。
19. 前記燃料流量制御構体は、前記アノード側へ流れる燃料の燃料流量を調整する燃料トリムコントローラを具備し、前記燃料トリムコントローラは、前記空気トリムコントローラにより計算された前記調整値を受信し、前記調整値を所定の範囲内に維持するように前記燃料流量を調整することを特徴とする請求項１８記載の燃料電池システム。
20. 前記増分の値は１であり、前記燃料トリムコントローラは、前記調整値を０〜−１の範囲内に維持するように燃料流量を調整することを特徴とする請求項１９記載の燃料電池システム。
21. 前記調整値が−１未満である場合、前記燃料トリムコントローラは前記燃料供給源からの燃料流量を増加することを特徴とする請求項２０記載の燃料電池システム。
22. 前記燃料流量制御構体は、
    前記燃料トリムコントローラが前記所定の燃料流量設定値を調整した後に、燃料供給源からの燃料流量を燃料流量設定値に制御する燃料流量コントローラと、
    前記燃料流量を測定するための燃料流量計と
    を更に具備することを特徴とする請求項１９記載の燃料電池システム。
23. 前記所定の電気出力を生成するために、前記所定の燃料流量は必要最小限の燃料流量を超えることを特徴とする請求項２２記載の燃料電池システム。
24. 前記所定の燃料流量は必要最小限の燃料流量を４０％超えることを特徴とする請求項２３記載の燃料電池システム。
25. 前記燃料流量計は熱質量流量計であることを特徴とする請求項２４記載の燃料電池システム。
26. 前記燃料電池システムは、前記燃料入口からの前記燃料を前処理する燃料処理構体と、
    前処理された前記燃料を加熱する熱交換器と
    を更に具備し、
    前記熱交換器の出口は前記アノード側の入口と結合されていることを特徴とする請求項２５記載の燃料電池システム。