JP2018129290A - 燃料電池スタックの損傷の検出および燃料電池システムの動作特性の調節のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの酸化を検出するための方法および装置、ならびにこのような不具合を補償するための方法を提供する。【解決手段】電力供給システム１３０は、複数の平板状燃料電池セルを積層した少なくとも１つの燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの積層方向の高さが測定されて、以前測定した高さから増大したかどうかを判定する測定装置１３６、１３８を備える。燃料電池スタックの高さが増大している場合に、少なくとも燃料電池セルのいくつかが酸化し劣化したと判定し、燃料電池スタックのアノードに供給される燃料流量の低減、あるいはカソードに供給される冷媒を兼ねた酸化剤ガスである空気流量の増大を行う。【選択図】図５

Description

本開示は一般的に、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）などの燃料電池の分野に関する。いくつかの特定の実施形態では、本発明は、燃料電池スタックの酸化または他の不具合を検出するための方法および装置、ならびにこのような不具合を補償するための方法に関する。

燃料電池は、燃料からの化学エネルギーを電気に変換する。これらは、イオン伝導層を通して燃料を酸化剤と電気化学的に結合させることによって機能する。通常、燃料電池は、化学反応を持続させるために、燃料および酸素（または空気）の連続供給源を必要とする。燃料は、ほとんどの場合、水素、あるいはメタノール、メタン、または天然ガスなどの水素含有組成物である。燃料電池には多くのタイプがあるが、すべて、アノードと、カソードと、陽電荷水素イオンが燃料電池の両側の間を移動することができる電解質とを含む。アノードおよびカソードは、燃料を酸化反応させて陽電荷水素イオンと電子とを発生させる触媒を含む。水素イオンは反応後に電解質を通って引き出される。同時に、アノードからカソードへ外部回路を通って電子が引き出されて発電する。

典型的な燃料電池は、約１ボルトより低い電圧で動作する。発電用途に対して十分な電圧とするために、いくつかの個別の燃料電池は一体化されて、より大きな構成部品、すなわち燃料電池スタックになる。燃料スタックを作成するために、隣接する燃料電池の燃料と酸化剤とが互いに混ざらないように、相互接続部材または「相互接続体」を用いて隣接する燃料電池を電気的に直列に互いに接続する。燃料電池スタックは、数百の燃料電池よりなることがある。燃料電池が発生する電力量は、燃料電池のタイプ、燃料電池のサイズ、作動温度、および燃料電池に供給されるガスの圧力などのいくつかの因子に依存する。

燃料電池システムの性能は大部分、スタック内の個々の燃料電池それぞれの性能および「健全性」に依存する。いくつかの燃料電池が何らかの理由、例えば、反り、酸化、または他の損傷要因で劣化し始めると、スタック全体の性能が悪化し始めることがある。これらの問題の主な兆候は、スタック電力の損失、およびスタック温度の過大な上昇の場合がある。いくつかの例では、スタック内の燃料電池の望ましくない膨張によって、スタックのカバーが燃料電池構造体からはずれる場合がある。上記のＳＯＦＣのいくつかのようにニッケルベースのアノードを利用する高温燃料電池は、過剰な酸化によって個々の燃料電池が特に損傷を受けやすくなる場合がある。

初期の段階で、燃料電池スタックの問題を検出することは困難な場合がある。これは、スタック内の個々の燃料電池を検査する必要がある場合には特に当てはまる。燃料電池技術者ならば理解するように、燃料電池スタックは、通常、１つまたは複数のカバーまたはケーシング内にしっかりと密閉される（シールは、ＳＯＦＣのような高温燃料電池の場合には、特に重要である）。燃料電池スタックをそのエンクロージャから取り出すことは、時間やコストがかかる場合がある。さらに、燃料電池システムの少なくとも一部分は、点検中、オフラインとしなければならない場合があり、その結果、電力／発電の損失となる。

これらの懸念を踏まえると、燃料電池スタックの欠陥を同定するための新しいプロセスは当該技術分野では歓迎されるであろう。プロセスは、例えば、酸化の影響によって損傷した、または適切に働かない個々の燃料電池を検出することができるようにするべきである。プロセスはまた、燃料電池スタックを手作業で検査する必要性を避ける、または最小限にするべきである。さらに、欠陥または他の問題に対して複数の燃料電池スタックを監視し、次いで、例えば、性能の出ていない燃料電池スタックから正常な性能の燃料電池スタックに電力出力を向け直すことによって、そのような問題を補償するための技法をプロセスが含むのであれば、それもまた非常に有益である。

米国特許第８９２７１６２号明細書

本発明の一実施形態は、複数の平板状燃料電池を含む少なくとも１つの平板状燃料電池スタック内の酸化を検出するための方法を対象とする。本方法は、スタックの高さを測定して、高さが以前測定した高さから増大したかどうかを判定するステップを含む。ここで、以前に測定した高さ寸法の増大は、平板状燃料電池の少なくともいくつかが酸化したことと相関する。

別の実施形態は、少なくとも２つの燃料電池スタック内の酸化を検出するための方法に関する。本方法では、各燃料電池スタックの高さが測定されて、その高さが以前に測定された高さから増大した（酸化が起きたことを示す）かどうかを判定し、次いで、酸化を示す燃料電池スタックにはより少ない燃料が供給され、一方、酸化を示さなかった燃料電池スタックにはより多い量の燃料が供給されるように、各燃料電池スタックへの燃料流量を調節する。このようにして、燃料電池スタックのすべてからの全電力出力は所望のレベルで保たれる。

関係する実施形態はまた、酸化、または燃料電池スタックの１つを許容温度パラメータからはずれて動作させる他の状態が存在するかどうかを判定するために、少なくとも２つの燃料電池スタックのそれぞれの高さを測定することを含む。このプロセスはさらに、仕様外の燃料電池スタックへ向ける空気流量を調節して、その燃料電池スタックの温度を許容範囲内に戻すステップを含む。

別の実施形態は、燃料電池スタック内の酸化を検出するための装置を対象とし、この装置は、燃料電池スタックと通信する、燃料電池スタック高さを測定するための機構を備える。ここで、以前測定された燃料電池スタック高さからの高さの増大は、燃料電池スタックの酸化の指標である。

少なくとも２つの燃料電池スタックを含む電力供給システムが別の実施形態を表す。各燃料電池スタックは、電力供給システムの動作に悪影響を及ぼす仕様外のスタックをもたらすスタック内の燃料電池の酸化を示すスタック高さの増大を測定するためのスタック測定装置を含む。電力供給システムはさらに、
ａ）各スタックの高さを比較し、スタックのうちの１つに酸化が起きたかどうかを判定するための健全性監視装置と、
ｂ）各燃料電池スタックへの燃料流量または空気流量をそれぞれ制御および調節するための負荷分散装置または空気流量調整装置と
を含み、その結果、仕様外のスタックを補償するように燃料流量または空気流量を調節することによって、電力供給システムの動作を許容レベルで保つことができる。

本発明の実施形態による、エンクロージャ内の燃料電池スタックの一部分の概略図であり、スタック高さ測定装置を含む。 本発明の実施形態による、スタック高さ測定装置および圧縮機構を含む、例示的な燃料電池スタックの概略図である。 複数の燃料電池スタックに対する燃料電池スタック高さ測定システム、および燃料流量バランスシステムを含む電力供給システムの単純化した図である。 各モジュールにいくつかの燃料電池を含む複数モジュール燃料電池システムの単純化した図である。 複数の燃料電池スタックに対する燃料電池スタック高さ測定システム、および各燃料電池スタックの温度を制御するための空気流量調整システムを含む、本発明の実施形態による別の電力供給システムの単純化した図である。

本発明の様々な実施形態の要素を導入するときに、冠詞「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、別に指摘しない限り、それらの要素のうちの１つまたは複数があることを意味することを意図することに留意すべきである。さらに、用語「および／または」は、関連する列挙項目の１つまたは複数の任意の、およびすべての組み合わせを含む。用語「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包括的であることを意図し、列挙した要素以外に追加の要素があり得ることを意味する。本明細書および特許請求の範囲を通じてここで用いる近似表現は、関連する基本的機能に変化を生じさせることなく変化することが許容される任意の量的表示を修飾するために適用することができる。したがって、「約（ａｂｏｕｔ）」および「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」などの用語で修飾された値は、その特定された正確な値には限定されない。いくつかの場合には、近似表現はその値を測定するための機器の精度に対応することがある。

用語「コンピュータ」、および「コンピュータ装置」などの関連する用語は、本明細書で使用するとき、当該技術でコンピュータと呼ばれる集積回路に限定されるものではなく、少なくとも１つのマイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ：ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、特定用途向け集積回路、および他のプログラマブル回路を広く指し、これらの用語は本明細書においては交換可能に使用される。さらに、プロセッサは、コンピュータを駆動する基本命令に応答してそれを処理する論理回路である。典型的には、プロセッサは、データベース、および関連する制御装置の他のモジュールに通信可能に接続される。プロセッサは、所望の計算を実行するために、少なくとも１つの演算論理装置、マイクロプロセッサ、汎用コントローラ、または他のプロセッサアレイを含むことができる。

この発明の実施形態に対して、様々なタイプの燃料電池を使用することができる。例としては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）および溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：ｍｏｌｔｅｎ ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）が含まれる。燃料電池は、イオン伝導層を通して燃料と酸化剤を電気化学的に結合させることによって直流（ＤＣ：ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）電力を発生させる。イオン伝導層すなわち電解質は、液体または固定である。いくつかの実施形態では、燃料電池は、燃料電池組立体内で電気的に直列に配置されて、有用な電圧または電流で電力を発生させる。多くの燃料電池は、本発明の実施形態の範囲内にあるが、本開示は、多くの最終用途に好ましいＳＯＦＣ装置に関する詳細を特に説明する。

例示的な実施形態では、燃料電池は、電解質、アノード、およびカソードを含む。ＤＣ電気を発生させる電気化学的な反応は、一般にアノードおよびカソードで起こり、この場合、反応を加速させるためにしばしば触媒が用いられる。アノードおよびカソードは、典型的には、様々な流路および多孔質層を含んで、化学反応を起こす表面積を増大させる。電解質は、アノードとカソードのうちの一方から帯電粒子を他方に運ぶが、それ以外では、燃料および酸化剤の両方に対して実質的に不透過性である。アノードには、通常、それを通って燃料を流れやすくするように入口および出口が含まれ、カソードにも同様の通路を含む場合がある。典型的な機構によれば、アノードは、水、水素、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、および、もしあるならば、未反応燃料を含む排ガス流をアノード出口から排出する。

さらに下記で説明するように、本明細書で説明する燃料電池、例えば、ＳＯＦＣ装置は、しばしば、発電システムの一構成部品である。このシステムは、少なくとも１つのＳＯＦＣスタックを含み、複数のスタックは、しばしば、２つ以上のモジュールに分配される。任意のタイプの発電ブロック（ガスタービン、蒸気タービン、燃焼エンジン、または付加の燃料電池など）に接続されたＳＯＦＣスタックを有する様々な発電システムは、この発明の範囲内にある。

上記の燃料電池スタックは、互いに鉛直方向に整列した複数の一体化した燃料電池（通常、平板状、または実質的に平板状）を含む。隣接する燃料電池を互いに電気的に直列に接続するために相互接続体が使用される。当該技術で知られているように、各燃料電池は、厚さがわずかに数ミリメートルの場合がある。これらを数百枚直列に接続してスタックを形成することができる。

本発明の実施形態では、スタック全体の高さは、少なくとも、燃料電池装置の運転準備ができたときに測定および記録される値である。本発明者は、装置の運転後のスタックの高さは、必ずしもそうではないが、通常、平板状の燃料電池の少なくともいくつかが酸化することによって生じる異常状態（正常でない状態）の指標となることを見出した。異常状態の症状としては、亀裂、反り、または燃料電池に対する他の損傷が含まれる（「損傷」は、本明細書で用いるとき、スタックが、不完全に、または規定された性能基準以下で作動する、あるいは、何らかの特定の動作パラメータからはずれて作動することを引き起こす、燃料電池スタックに関連するいかなる状態をもより広く指す）。

スタックの高さの測定は、いくつかの技法によって実行することができる。図１は、燃料電池スタック測定システム１０の斜視図である。燃料電池スタック自体に関する詳細は、本発明を理解するために必要なことではない。したがって、燃料電池スタック１２は非常に概略的に示されており、それは、測定システムエンクロージャ１４内に配置されている。スタックは、直接的に、または間接的に、下部支持板１６上に置くことができる。エンクロージャの反対側の上端は上部板１８を含み、通常は板１６に平行であり、圧縮板と称することもある。これらの板は、例えば、金属製のタイロッドとすることができる２つ以上の支持部材２０によって、しばしば位置合わせされ、かつ構造的に支持される。

頂板２２は、板１６および１８に概ね平行で、同じく、タイロッド２０によって支持することができる。タイロッドと板の組立体２４は、ボルト２５を用いて一緒に締結されて強固にすることができるが、他の取付機構も可能である。この組立体は、「ホットボックス」とも呼ばれることがあるチャンバ２６内に、通常、取り囲まれる。チャンバ２６は、スタックから流れ出るいかなる高温の燃料電池ガスも封じ込めることができるとともに、熱交換器、蒸気発生器、燃料脱硫器、ならびに／あるいは１つまたは複数の改質器などの外部環境からの他の成分を遮蔽することができる。

いくつかの実施形態では、ばね機構２８を用いてスタック１２の高さの変化を測定する。ばね機構は、ボルト２９によって、または任意の他の適切な締結手段によって、定位置に固定することができる。ばね３０は、頂板２２を通り抜けて上部板１８の上面３２に対して付勢することができる。プッシュロッド３４、シャフト、または他のタイプのコネクタは、上部板およびその下にある燃料電池スタックの頂部３５に直接圧縮力を与えるように、ばねの下に取り付けることができる。係属中の米国特許出願第１４／８６７，４０９号（Ｋ．Ｂｒｏｗｎら、２０１５年９月２８日出願）に記載されているように、燃料電池スタックへの所望の圧力を保つために様々なタイプの圧縮機構を使用することができる。第１４／８６７，４０９号は、その内容全体が参照によって本明細書に援用される。ばね機構は、通常、ホットボックス２６の外側に配置される。

この実施形態では、ばねは、プッシュロッド３４によって下部板１６に対して下方向の選ばれた圧力量を確実にするように引き締めることができる。非限定的な例として、約１５０〜２００の個別の燃料電池を含み、約８００℃で動作するように設計されたＳＯＦＣスタックに対して、ばねは、約６００〜８００ｋｇの力、例えば、７００ｋｇに予め調節することができる。ばねの力の任意の変化は、スタックの高さの変化と相関する。

ばね機構はさらに、例えば、初期高さ、または以前に測定した高さに対する、スタックの高さを決めるための測定装置を含むことができる。さらに、ばね機構を用いて、燃料電池装置の動作中のスタック高さの変化を決めることができる。一実施形態では、測定装置は、単純な形態で図１に示すようなロードセル３６とすることができる。ロードセルは、当該技術では知られており、かつ市販されている。そのほとんどは、測定された力、すなわち、ばね機構２８によって燃料電池スタック１２にかけられた力に直接比例する大きさを有する電気信号を発生することができる何らかの形態の変換器によるものである。利用できるロードセルの例としては、ボタンセル、歪ゲージロードセル、および空圧ロードセルが含まれる。一実施形態では、ロードセルは、ばね機構２８と位置合わせされて、ばね機構２８に（直接的に、または間接的に）取り付けられる。このようにして、ロードセルは、ばね力を直接測定している。

他の実施形態では、スタックの高さは、スタックに取り付けられ、その高さ寸法を示す信号を発生する位置センサによって測定することができる（位置センサは、図１には具体的には示されていない）。様々なタイプの位置センサを用いることができる。一例としては、線形変位、すなわち物体の位置を測定するために用いられる線形可変差動変換器（ＬＶＤＴ：ｌｉｎｅａｒ ｖａｒｉａｂｌｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）がある。ＬＶＤＴは、機械的な基準からの位置または線形変位を比例する電気信号に変換する。電気信号は、通常、方向情報用の位相成分、および距離情報用の振幅成分を含む。当業者であれば理解するように、ＬＶＤＴは、変圧器の原理で動作し、通常、コイル組立体およびコアを含む。これらの装置は市販されており、例えば、米国特許第９，３９５，５１１号、第５，０４４，１８６号、および第４，１４９，４０９号に記載され、これらすべては、参照によって本明細書に援用される。

上記のように、他のタイプの位置センサを同様に用いることができる。選ばれる特定のセンサは、上記のばね機構をさらに使用することに頼る場合もあり、頼らない場合もある。その選択は、特定のセンサ設計に部分的に依存する。使用することができるセンサのすべては、市販されている。例としては、容量型変位センサ、レーザ測距センサなどが含まれる。

ばね機構および付随するロードセルの使用を含む実施形態に対して好ましい場合がある技法では、ばね機構は、燃料電池の全面運転前に較正することができる。例えば、燃料電池は、選ばれた動作温度で、所与の時間、１回または複数回の試行運転をすることができる。スタックの高さ、およびばねへの力は、試行中、監視される。例として、ばねへの力の約２０ポンド（９ｋｇ）の増大は、ばねの変位の０．１インチ（０．２５ｃｍ）に相関する場合がある。この値は、スタックの高さの０．２５ｃｍの増大に相当することになる。

さらに、スタックの高さの増大を、スタックの実際の損傷に対して関係づけることができる。上記のように、損傷は、物理的な証拠によって、例えば、いくつかの個々の燃料電池の反りなどの酸化による損傷が観察されることによって示すことができる。したがって、システム管理者は、スタックを手作業で検査することなく、燃料電池スタックの高さを計算して増大していれば、スタックに損傷が起こった可能性があると見なすことができる。

別の実施形態では、スタックの高さは、ベローズ構造を用いて測定することができる。上記のように、燃料電池スタックへの所望の圧力を保つために圧縮機構が用いられる場合がある。この機構は、ベローズの形態のケーシングを含むことができる。ケーシングは、選ばれた量の圧力を下にある燃料電池スタックにかけることができる加圧流体を封じ込めることができ、それを、例えば、圧力計によって測定する。圧力計、またはケーシングに付随した圧力板の動きによって示される圧力の変化は、下にある燃料電池スタックの高さが変化したことを示している。前述の説明のように、スタックの高さが増大した場合、これは、その中に含まれる燃料電池が酸化した、またはその他の損傷を受けたことを示すものとすることができる。

図２は、このタイプの実施形態を示し、ここでは、圧縮機構４０は、燃料電池スタック４４を収容するホットボックス４２に改造されている。圧縮機構は、支持枠４６、加圧流体容器４８、および圧縮板５０を含む。支持枠は、支持部材５６とともに上部支持板５２および下部支持板５４を含む。支持部材は、通常、上部支持板５２と下部支持板５４との間を延在して、それらに関して環状の空間が空けられている。この設計は概ね、上記で参照した特許出願第１４／８６７，４０９号（Ｋ．Ｂｒｏｗｎら）に記載されている。圧縮機構４０全体は、Ｂｒｏｗｎらの参考文献に記されたいくつかの変形を含むことができる。

引き続き図２を参照すると、圧縮板５０は、上部支持板５２と下部支持板５４との間で支持部材５６に移動可能に結合される。加圧流体容器４８は圧縮板と上部支持板との間に配置される。燃料電池スタック４４は、下部支持板５４と圧縮板５０との間に配置される。このように、圧縮板は、燃料電池圧縮機構の作動中、加圧流体容器４８および燃料電池スタック４４に直接接触する（圧縮源は、通常、加圧流体ラインであり、それは、本明細書では描かれていないが、Ｂｒｏｗｎらの特許出願に論じられている）。

また、図２の例示的な実施形態で気付くように、加圧流体容器４８は、加圧流体を含むように構成された、内部空間６０を画定するケーシング５８を含む。ケーシングは、頂壁６２、底壁６４、および頂壁と底壁との間を延在する側壁６６を含む。上部支持板５２および圧縮板５０は側壁６６に結合され、その結果、上部支持板５２は、少なくとも部分的に頂壁６２を形成し、圧縮板５０は、少なくとも部分的に底壁６４を形成する。

図２の側壁６６は、少なくとも部分的に可撓性があり、その結果、側壁は、内部空間６０の容積が変わると延びる、またはしぼむことができる。側壁は、容易に曲がりやすい配置になるように、比較的薄く、その領域の実質的な部分全体を波形にすることができる。側壁が延びる、またはしぼむと、頂壁６２および底壁６４のうちの少なくとも１つは、互いに対して動く。前述した一例のように、ケーシング５８は、ベローズ構造の形態とすることができ、これは、頂壁と底壁との間を相対的に動くこの設計に容易に組み入れることができる。これの代わりに、ケーシングに他の構造、例えば、Ｂｒｏｗｎらの特許出願で記載されている枕状のケーシングを組み入れることができる。

引き続き図２を参照すると、圧縮機構４０によって、燃料電池の動作中、燃料電池スタックへの力は選択された量に保つことができることが分かる。圧縮板５０は、支持板５４に対して動かされ、その結果、燃料電池スタック４４への圧縮力は所望の圧力に保たれる。圧力レベルは厳密に監視することができるので、いかなる圧力の変化も燃料スタック４４の高さの変化として表れる。このとき、この変化は、前述のように、スタック内のいずれかの燃料電池の状態が悪く変化した可能性があると見なすことができる。さらに、この実施形態の圧縮機構はまた、板５０と支持板５２との間の寸法（距離）の変化を測定する前述の位置センサ（例えば、ＬＶＤＴ）を含むことができ、それを用いてスタック高さを計算することができる。

概して、単一のエンクロージャまたはホットボックス内に複数の燃料電池スタックを入れることができることもまた留意すべきである。その場合には、各スタックの高さを上記の技法の１つによって測定して、個々のスタックが酸化による悪影響を受けたかどうかを判定することができる。そのうえ、下記でさらに説明するように、燃料電池を含む発電システム全体は、それぞれが少なくとも２つの燃料電池スタックを含む複数のエンクロージャまたはモジュールを含むことができる。

本発明の別の実施形態は、前述のプロセスによってスタックのうちの１つで酸化が検出されたときに、少なくとも２つの燃料電池スタックの動作を制御するための方法およびシステムを対象とする。まず、この方法の特徴を簡単に説明すると、初期に得られた、かつ燃料電池試運転中に得られた各燃料電池スタックの相対的な高さに関するデータを、データ収集装置内、例えば、コンピュータプロセッサベースの装置内に記憶することができる。典型的な設計では、同じくコンピュータベースの燃料電池スタック監視モジュールは、データ収集装置からのデータを処理して、各燃料電池スタックの高さの値の変化を比較する。所与の燃料電池スタックのロードセルまたは他のタイプの位置センサは、スタックは高さが増大して酸化を受けたか、または何らかの他の損傷を受けたかどうかの指標を与える。接続された補償装置は、電力供給システム全体に対する要求にしたがって、損傷したスタックを補うように、各燃料電池スタックの動作を調整する。

図３には、１つの特定の実施形態が示されている。本図は、第１の燃料電池スタック８２および第２の燃料電池スタック８４を含む単純化した電力供給システム８０の図である。各燃料電池スタックは、スタックの高さの変化を測定するためのスタック測定装置を含む。この図にはロードセルが例示されているが、測定装置は、ＬＶＤＴなどの電子位置センサまたはベローズ構造などの上記の装置またはシステムのうちのいかなるものでも可能である。スタック測定装置８６は、燃料電池スタック８２に接続され、一方、スタック測定装置８８は燃料電池スタック８４に接続される。

両方のスタック測定装置は、システム健全性監視装置９０に接続される。健全性監視装置は、典型的には、スタック高さのデータを受信して処理することができるコンピュータベースのシステムである。データは、任意の選ばれた時間長さでの各燃料電池のスタック高さの変化を含むことができる。データはまた、高さに関して、スタック８２とスタック８４との比較を含むことができる。前述のように、スタック高さの増大は、スタック内の燃料電池が、例えば、酸化の影響により、何らかの劣化をしている可能性を示す。

さらに、前述の較正技法に即して、健全性監視装置は、いくつかの実施形態では、スタック高さの変化およびスタックの損傷をスタックの電力損失に相関させる１つまたは複数のプロセッサを含む。この相関は、一連の試験評価に基づくことができる。試験データは、公知の相関技法、例えば、データに対する伝達関数に基づくルックアップテーブルを用いてプロセッサに組み入れることができる。

次いで、健全性監視装置９０からの、２つのスタックの相対的な高さ（および、いくつかの場合には、スタックの電力損失）に関するデータは、負荷分散装置９２に送信することができる。負荷分散装置は、燃料電池用の任意のタイプの運転調整装置の形態を採ることができ、「補償装置」と呼ばれる場合がある。負荷分散装置はまた、いくつかの形態を採ることができる電力需要モジュール９４と通信することができる。

概して、電力需要モジュール９４は、外部源、例えば、外部の配電網または他の電力対象体、あるいは電力顧客に対する電力要求に基づいて、燃料電池システムへの全電力需要を測定して示す任意の装置とすることができる。一例として、全電力需要が１．０メガワット（ＭＷ）の場合、図３を参照して、全電力需要は、典型的には、燃料電池８２と燃料電池８４との間で等分される。すなわち、それぞれ、０．５ＭＷとなる。言い換えれば、燃料弁９６および９８を通じて、（上記のような）水素ベースの燃料が適切に調量される。燃料電池の反応原理にしたがって従来の酸素源と結合すると、各燃料電池スタック８２および８４は、等しい量の燃料を受け取って等しい量の電力を発生するはずである。

健全性監視装置９０が、燃料電池スタック８２または８４のうちの１つが損傷していること、またはその他予想以下の動作していることを示した場合、負荷分散装置９２に信号が送信される。この実施形態では、仕様まで（すなわち、仕様通りの）性能を出す燃料電池により多くの量の燃料を向け、一方、仕様外、すなわち、１つまたは複数の許容パラメータ、例えば、特定の温度または温度範囲からはずれて動作する燃料電池には、より少ない量の燃料を向けるように、負荷分散装置は、燃料流量を効果的に調整する。

したがって、単純で非限定的な例示として、燃料スタック８２が、スタック高さの測定に基づいて、仕様より１０％低く動作しているようであれば、負荷分散装置９２からの制御に基づいて、１０％少ない燃料がその燃料電池にエネルギーを与えるために燃料弁９６を通じて向けられる。したがって、燃料電池スタック８２は０．４ＭＷの電力を発生するかもしれない。したがって、燃料電池スタック８４から約１０％多い電力、例えば、０．６ＭＷの電力を発生させるように、同じく負荷分散装置によって制御された燃料弁９８を通じて１０％多い燃料が向けられる。このようにして、燃料電池システムの全電力出力は１．０ＭＷのままとなり、外部の顧客からの特定の需要を満足する（当業者は、燃料電池システムの電力出力は、部分的に「燃料利用率」、すなわち、供給された燃料量当たりの消費された燃料量に関係することを理解する。これは、供給燃料送出量と燃料電池スタックにかかる負荷との関数である）。

いくつかの例では、燃料電池スタックは、十分な燃料を受けていないため、仕様を下回って動作している場合がある。この場合、前述のように、健全性監視装置は、特定のタイプの不完全な状態を認識して、前記のように、適切な信号を負荷分散装置に送信する。しかしながら、この状況では、この信号によって、スタックを仕様内に戻すために、より多くの量の燃料が性能の出ていない燃料電池スタックに向けられる。

負荷分散装置の機能は、例えば、１人または複数の操作員の観察および手制御によって、手動で行うことができることもまた留意すべきである。これに代えて、負荷分散装置は、自動的にその機能を行うことができる。例えば、１つまたは複数の関連するコンピュータ制御装置／プロセッサが、全電力需要とともに健全性監視装置から入ってくるデータを使って、負荷分散装置の動きを調整することができる。

多くの実施形態では、複数の燃料電池スタックは少なくとも２つのモジュール内に含まれる。各スタックは、前述したように、数百の個別の燃料電池を含む場合がある。さらに、各モジュールの設計および構成部品は当該技術において一般的に知られている（例えば、参照によって本明細書に援用される、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ， 「Ｃｅｌｌ， Ｓｔａｃｋ ＆ Ｍｏｄｕｌｅ／ＳＯＦＣ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ」、２０１６年１２月、米国エネルギー省ウェブサイト参照のこと）。関係する構成部品および機構としては、入口／出口空気マニホールド、入口／出口燃料マニホールド、電力取出口、スタックの機械的なローディング装置、および断熱システムが含まれる。このように、燃料電池システム全体の所望の定格電力は、システム内に必要なだけのモジュールを取り付けることによって、例えば、５０ｋＷから約数百万ＭＷまで構成することができる。

したがって、別の例示的な実施形態では、少なくとも２つの燃料電池モジュールの運転は、個々のモジュールのうちのどれかのモジュール内の不完全な、または性能の出ていない燃料電池スタックに基づいて制御することができる。図４は、複数のモジュールの燃料電池システム１００の非限定的な単純化した図である。システム全体は、当該技術で知られた一般的な接続技法にしたがって、標準の電気的／機械的接続１０８、１１０によって、互いに相互接続された３つのモジュール１０２、１０４、および１０６を含む（例えば、参照によって本明細書に援用される、例示的な機械的周辺機器および電気的周辺機器を示すウェブサイトｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｕｅｌｃｅｌｌｅｎｅｒｇｙ．ｃｏｍ／ｗｈｙ−ｆｕｅｌｃｅｌｌ−ｅｎｅｒｇｙ／ｈｏｗ−ｄｏ−ｆｕｅｌ−ｃｅｌｌｓ−ｗｏｒｋ／、２０１６年１２月、参照のこと）。各モジュールは、４つの燃料電池スタックを有して、例えば、モジュール１０２内にはスタック１１２、１１４、１１６、および１１８を有して、単純化した図で示されている。モジュール内の各スタック間の電気的／機械的接続は、簡略化するために省略されている。

前述の一般的なプロセスによれば、各モジュール内の個々の燃料電池スタックのそれぞれは、前述の１つまたは複数のシステム健全性監視装置（図４には示されていない）を使用して、スタックの所定の高さのいかなる増大に対しても監視することができる。高さの増大は、そのスタック内の燃料電池のうちの１つまたは複数に対する望ましくない酸化または他の損傷を示している。スタックに対する（または、単一のモジュール内の複数のスタックに対する）損傷を評価して、それが許容限度を超えていれば、関連する負荷分散装置（図示せず）は、その特定のモジュールに対する電力要求を下げることによって補償する。

負荷分散装置によって行われる調節は、（例えば、１つまたは複数の燃料弁を用いて）特定のモジュールへの燃料流量を変更することによって実行することができる。これに代えて、下記でさらに説明するように、冷却を強化するために空気流量を変更することによって調節を実行することができる。燃料流量を調節する場合、損傷した燃料電池スタックを含むモジュールからより少ない電力が引き出され、他のモジュールのうちの１つから、または、適正に機能している燃料電池スタックを含む複数のモジュールからより多くの電力が引き出される。このようにして、複数のモジュールの燃料電池システムからの全要求電力出力を保つことができる（他の実施形態と同様に、燃料電池スタックの不具合が、例えば、酸化の問題ではなく、不十分な燃料流量に関係すると判定された場合、特定のモジュールに対する燃料流量を増大することができる状況もまた存在する）。

図５には、図３の燃料流量に基づいた実施形態に対する別の代替が示されている。電力供給システム１３０は、第１の燃料電池スタック１３２および第２の燃料電池スタック１３４を含む。図３のように、各燃料電池スタックは、スタック測定装置、例えば、ロードセルを含む。スタック測定装置１３６は、燃料電池スタック１３２に接続され、一方、スタック測定装置１３８は燃料電池スタック１３４に接続される。前述の実施形態のように、両方のスタック測定装置は、スタック高さのデータを受信して処理することができ、通常、コンピュータベースのものであるシステム健全性監視装置１４０に接続される。データは、高さに関して、スタック１３２とスタック１３４とを比較する。ここで、いかなる高さの増大も、前述したように、スタック内の１つまたは複数の燃料電池の起こり得る問題を示す。同じく前述したように、このシステムに、増大したスタック高さをスタックの電力損失に対して関係づける追加のシステムを組み込むことができる。

（さらに、いくつかの場合では、燃料電池スタックの高さが、以前に測定した寸法に比べて増大したのではなく減少したかどうかを判定するために本明細書で説明したプロセスを使うことは有用な場合がある。高さの減少もまた、本明細書で説明した燃料供給または空気供給のバランスを取る技法によって対処することができる動作現象を示す場合がある。）
図３の実施形態に類似の方法で、２つのスタックの相対的な高さに（いくつかの場合には、スタックの電力損失）関する、図５の健全性監視装置１４０からのデータを、空気流量調整装置１４２に送信することができる。調整装置はまた、いくつかの形態を採ることができる空気流量指令モジュール１４４と通信する。空気流量弁１４６および１４８を通って送ることができるプロセス空気を使って、許容温度値または温度範囲からはずれて動作している燃料電池スタックの温度を調節することができる。例えば、プロセス空気流を増大させて、過熱しているかもしれない燃料電池スタックの温度を引き下げる冷却剤として機能させることができる。他の例では、プロセス空気の流量を減少させて、低すぎるかもしれない燃料電池スタックの温度を上げることができる。

したがって、単純な例示として、スタック高さの測定に基づくと、または健全性監視装置１４０によって監視することができる別の特性に基づくと、燃料スタック１３２が仕様からはずれて作動している場合がある。燃料電池スタックの性能問題が、スタック温度を望ましくなく上昇させる場合、燃料電池スタック１３２を許容温度まで冷却するために、より多くの量の空気流が（調整装置１４２からの制御に基づいて）弁１４６を通じて向けられる。いくつかの実施形態では、弁１４８を通って、正常に挙動する燃料電池スタック１３４に向かう空気流は、同時にスタック１３２に向かう空気流の増大に比例する量だけ減少させることができる。空気流を減少させることによって、スタック１３４はより高い温度で動作することができる（しかしながら、必ずしもスタック１３４への空気流の増減がスタック１３２への空気流の増減に釣り合うとは限らない）。さらに、図３の実施形態に対して説明したように、このシステムは、手動、または健全性監視装置１４０、調整装置１４２、および空気流量指令モジュール１４４間をコンピュータベースで調整する自動のどちらでも操作することができる。

本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、また、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み入れられた方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるようにしている。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図されている。

１０ 燃料電池スタック測定システム
１２ 燃料電池スタック
１４ 測定システムエンクロージャ
１６ 下部板
１８ 上部板
２０ 支持部材、タイロッド
２２ 頂板
２４ 組立体
２５ ボルト
２６ ホットボックス
２８ ばね機構
２９ ボルト
３０ ばね
３２ 上面
３４ コネクタ、プッシュロッド
３５ 頂部
３６ ロードセル
４０ 圧縮機構
４２ ホットボックス
４４ 燃料電池スタック
４６ 支持枠
４８ 加圧流体容器
５０ 圧縮板
５２ 上部支持板
５４ 下部支持板
５６ 支持部材
５８ ケーシング
６０ 内部空間
６２ 頂壁
６４ 底壁
６６ 側壁
８０ 電力供給システム
８２ 燃料電池スタック
８４ 燃料電池スタック
８６ スタック測定装置
８８ スタック測定装置
９０ 健全性監視装置
９２ 負荷分散装置
９４ 電力需要モジュール
９６ 燃料弁
９８ 燃料弁
１００ 燃料電池システム
１０２ モジュール
１０４ モジュール
１０６ モジュール
１０８ 電気的／機械的接続
１１０ 電気的／機械的接続
１１２ スタック
１１４ スタック
１１６ スタック
１１８ スタック
１３０ 電力供給システム
１３２ 燃料電池スタック
１３４ 燃料電池スタック
１３６ スタック測定装置
１３８ スタック測定装置
１４０ 健全性監視装置
１４２ 空気流調整装置
１４４ 空気流量指令モジュール
１４６ 空気流量弁
１４８ 空気流量弁

Claims (25)

1. 複数の燃料電池を含む少なくとも１つの平板状燃料電池スタック（１２）の高さを測定して、前記高さが以前測定した高さから増大したかどうかを判定するステップを含む前記スタックの酸化を検出するための方法であって、前記以前に測定した高さ寸法の増大が、前記燃料電池の少なくともいくつかが酸化したことと相関する、方法。
2. 前記燃料電池スタック（１２）内の前記燃料電池が、互いに鉛直方向に位置合わせされ、少なくとも１枚の板（１８）が前記スタック（１２）の頂部（３５）の上に配置される、請求項１記載の方法。
3. 測定可能な力が前記燃料電池スタック（１２）に鉛直方向にかかるように、ばね（３０）が前記板（１８）に対して付勢され、その結果、前記ばね（３０）の前記力の変化が、前記スタック（１２）の高さの変化と相関する、請求項２記載の方法。
4. 前記燃料電池スタック（１２）がホットボックス（２６）内に収容され、前記ばね（３０）が前記ホットボックス（２６）の外側に配置される、請求項３記載の方法。
5. 前記ばね（３０）が、前記スタック（１２）の前記頂部（３５）の上に配置された前記板（１８）に、前記ホットボックス（２６）の開口を通り抜けるコネクタ（３４）によって取り付けられる、請求項４記載の方法。
6. 前記スタック（１２）の高さが、前記燃料電池スタック（１２）に取り付けられたロードセル（３６）によって測定される、請求項１記載の方法。
7. 前記スタック（１２）の高さが、前記スタック（１２）に取り付けられた位置センサによって決定される、請求項１記載の方法。
8. 前記位置センサが、前記スタック（１２）の高さを示す信号を発生する、請求項７記載の方法。
9. 前記位置センサが、線形可変差動変換器（ＬＶＤＴ）である、請求項７記載の方法。
10. 前記スタック（４４）の高さが、前記スタック（４４）の前記頂部の上に配置された圧縮機構（４０）によって測定され、前記圧縮機構（４０）が、前記燃料電池スタック（４４）にかける選択された圧力を保つように構成される、請求項２記載の方法。
11. 前記圧縮機構（４０）が、外部から加圧することができるケーシング（５８）を含み、前記ケーシング（５８）がベローズ構造を含む、請求項１０記載の方法。
12. 前記燃料電池スタック（１２、４４）が固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である、請求項１記載の方法。
13. 複数の燃料電池スタック（１２、４４）がホットボックス（２６、４２）内に収容され、各スタック（１２、４４）の高さが測定されて、各スタックの高さが以前測定した高さから増大したかどうかを判定する、請求項１記載の方法。
14. 複数の燃料電池スタック（１１２、１１４、１１６、１１８）が少なくとも２つのモジュール（１０２、１０４、１０６）内に収容され、各モジュール（１０２、１０４、１０６）の各スタック（１１２、１１４、１１６、１１８）の高さが測定されて、その高さが以前測定した高さ寸法から増大したかどうかを判定する、請求項１記載の方法。
15. 少なくとも２つの燃料電池スタック（８２、８４）の高さが測定されて、酸化が起きたかどうかを判定し、前記方法が、前記燃料電池スタック（８２、８４）のすべてからの全電力出力が所望のレベルで保たれるように、酸化を示す燃料電池スタック（８２）にはより少ない燃料が供給され、一方、酸化を示さなかった燃料電池スタック（８４）にはより多い量の燃料が供給されるように、各燃料電池スタック（８２、８４）への燃料流量を調節するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
16. 複数の燃料電池スタック（１１２、１１４、１１６、１１８）が複数のモジュール（１０２、１０４、１０６）内に収容され、前記モジュール（１０２、１０４、１０６）のうちの１つが、酸化を示す燃料電池スタックを含む場合、前記モジュール（１０２、１０４、１０６）のすべてからの全電力出力が所望のレベルで保たれるように、酸化を示す前記燃料電池スタックを含む前記モジュールにはより少ない燃料が供給され、一方、酸化を示すいかなる燃料電池スタックも含まないモジュールにはより多い量の燃料が供給されるように、各モジュール（１０２、１０４、１０６）への燃料流量が調節される、請求項１５記載の方法。
17. 少なくとも２つの燃料電池スタック（１３２、１３４）の高さが測定されて、酸化が起きたかどうか、および、前記燃料電池スタック（１３２、１３４）のうちの１つ（仕様外のスタック）が、許容限度からはずれた温度を示すかどうかを判定し、前記方法が、前記温度を許容限度内に戻すように、前記仕様外のスタックへの空気流量を調節するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
18. 燃料電池スタック高さを測定するための機構を備え、前記機構が、燃料電池スタックに取り付けられるか、または前記燃料電池スタックと通信する、前記燃料電池スタックの酸化を検出するための装置であって、以前測定された高さからの燃料電池スタック高さの増大が、前記燃料電池スタックの酸化の指標である、装置。
19. ばね（３０）の力の変化が、前記スタック（１２）の高さの変化と相関するように、前記ばね（３０）が、測定される前記力で前記燃料電池スタック（１２）の頂部（３５）に対して付勢される、請求項１８記載の装置。
20. 前記燃料電池スタック（１２）の高さが、前記スタック（１２）に取り付けられたロードセル（３６）によって測定される、請求項１８記載の装置。
21. 前記燃料電池スタック（１２）の高さが、前記燃料電池スタック（１２）に取り付けられた位置センサによって測定され、前記位置センサが、前記スタック（１２）の高さを示す信号を発生する、請求項２０記載の装置。
22. 少なくとも２つの燃料電池スタック（８２、８４、１３２、１３４）を含む電力供給システム（８０、１３０）であって、各燃料電池スタック（８２、８４、１３２、１３４）が、前記スタック（８２、８４、１３２、１３４）の高さの増大を測定するためのスタック測定装置（８６、８８、１３６、１３８）を含み、前記高さの増大が、前記電力供給システム（８０、１３０）の動作に悪影響を及ぼす仕様外のスタックをもたらす前記スタック内の燃料電池の酸化を示し、
    前記電力供給システム（８０、１３０）が、
    （ａ）各スタック（８２、８４、１３２、１３４）の高さを比較し、前記スタック（８２、８４、１３２、１３４）のうちの１つに酸化が起きたかどうかを判定するための健全性監視装置（９０、１４０）と、
    （ｂ）各燃料電池スタック（８２、８４、１３２、１３４）への燃料流量または空気流量をそれぞれ制御および調節するための負荷分散装置（９２）または空気流量調整装置（１４２）と
    をさらに含み、
    その結果、仕様外のスタックを補償するように燃料流量または空気流量を調節することによって、前記電力供給システム（８０、１３０）の動作を許容レベルで保つことができる、電力供給システム（８０、１３０）。
23. 仕様外のスタック（８２）への燃料流量を減少させ、一方、仕様内のスタック（８４）の燃料流量を増大させるように構成される、請求項２２記載の電力供給システム（８０）。
24. 過大な温度状態を示す仕様外のスタック（１３２）への空気流量を増大させて、前記スタック（１３２）の温度を許容温度範囲まで下げるように構成される、請求項２２記載の電力供給システム（１３０）。
25. 前記燃料電池スタック（８２、８４、１３２、１３４）が固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を備える、請求項２２記載の電力供給システム（８０、１３０）。