JP2019091689A - 燃料電池スタック温度制御システム及び方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池スタックにおいて所望の温度を維持するように高温燃料電池システムを制御するためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】本開示の様々な実施形態は、燃料電池スタックで所望の温度を維持するために燃料電池システムを通る酸化剤の流れを調節するように構成された燃料電池システムを提供する。本燃料電池システムは、燃料電池スタックの外部の流体の温度測定値に基づいて、燃料電池スタック内の所望の温度を維持するために酸化剤の流れを制御するように構成される。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。より具体的には、本開示は、燃料電池スタックの温度を制御するためのシステム及び方法に関する。
燃料電池は、燃料を酸化させることによって電気を発生させる電気化学変換装置である。燃料電池は、典型的には、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間の電解質とを含む。燃料電池システムは、通常、相互接続を介して相互に直列に電気的に接続された複数の燃料電池（総称して「燃料電池ユニット」ということもある）と、燃料電池のアノードに燃料を、燃料電池のカソードに酸化剤を供給するように構成された、幾つかの構成要素とを含む。酸化剤中の酸素はカソードで還元されて、電解質を通ってアノードに拡散する酸素イオンになる。燃料はアノードで酸化され、電気負荷を流れる電子を生成する。
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム（及び他の高温燃料電池システム）は、低い内部電気抵抗を維持し、最適な性能を達成するために、摂氏１０００度などの比較的高い動作温度を必要とする。従って、燃料電池スタックにおいて所望の温度を維持するように高温燃料電池システムを制御するためのシステム及び方法が必要とされている。
本開示の様々な実施形態は、燃料電池スタックで所望の温度を維持するために燃料電池システムを通る酸化剤の流れを調節するように構成された燃料電池システムを提供する。本燃料電池システムは、燃料電池スタックの外部の流体の温度測定値に基づいて、燃料電池スタック内の所望の温度を維持するために酸化剤の流れを制御するように構成される。
燃料電池システムを動作させる方法は、第１温度センサによって、カソードエゼクタの上流側及び燃料電池スタックの下流側で酸化剤の第１温度を測定し、第２温度センサによって、燃焼器の下流側で燃焼副生成物の第２温度を測定し、コントローラによって、第１温度の設定値と検知した第１温度との差を決定し、コントローラによって、第１温度の設定値と検知した第１温度との差に基づいて、第２温度の設定値を決定し、コントローラによって、第２温度の設定値と検知した第２温度との差を決定し、コントローラによって、（１）第１温度の設定値と検知した第１温度との差、及び、（２）第２温度の設定値と検知した第２温度との差、を減少させるように、燃料電池システムを通る酸化剤の質量流量を制御することを含む。
幾つかの実施形態では、燃料電池システムへの酸化剤の質量流量を制御することは、酸化剤流量制御装置の出力を制御することを含む。幾つかの実施形態では、酸化剤流量制御装置はターボ発電機を備え、酸化剤流量制御装置の出力を制御することは、ターボ発電機の回転速度を制御することを含む。幾つかの実施形態では、本方法は、コントローラによって、第２温度の設定値と検知した第２温度との差に基づいて、酸化剤流量制御装置の設定値を決定することと、酸化剤流量制御装置の設定値を使用して酸化剤流量制御装置の出力を制御することと、をさらに含む。
幾つかの実施形態では、第１温度の設定値と検知した第１温度との差を決定することは、コントローラの第１比例・積分・微分（ＰＩＤ）モジュールによって、第１温度の設定値と検知した第１温度との差を決定することを含む。幾つかの実施形態では、第１温度の設定値と検知した第１温度との差に基づいて、第２温度の設定値を決定することは、コントローラの第１ＰＩＤモジュールによって、第１温度の設定値と検知した第１温度との差に基づいて、第２温度の設定値を決定することを含む。幾つかの実施形態では、第２温度の設定値と検知した第２温度との差を決定することは、コントローラの第２ＰＩＤモジュールによって、第２温度の設定値と検知した第２温度との差を決定することを含む。
幾つかの実施形態では、本方法は、コントローラの第２ＰＩＤモジュールによって、第２温度の設定値と検知した第２温度との差に基づいて、酸化剤流量制御装置の設定値を決定することをさらに含む。幾つかの実施形態では、燃料電池システムを通る酸化剤の質量流量を制御することは、酸化剤流量制御装置の設定値を使用して酸化剤流量制御装置の出力を制御することを含む。
燃料電池システムは、燃料電池スタックと、カソードエゼクタと、燃焼器と、第１温度センサと、第２温度センサと、コントローラとを備える。燃料電池スタックは、各々がアノードと、カソードとを備え、酸化剤入口と、酸化剤出口とを含む複数の燃料電池を備える。カソードエゼクタは、動力流体入口と、燃料電池スタックの酸化剤出口と流体連通する吸入流体入口と、燃料電池スタックの酸化剤入口と流体連通する流体出口とを備える。燃焼器は、燃焼生成物入口と、燃焼副生成物出口と含み、燃焼生成物入口は、燃料電池スタックの酸化剤出口と流体連通する。第１温度センサは、燃料電池スタックの酸化剤出口とカソードエゼクタの吸入流体入口との間で第１温度を検知するように構成される。第２温度センサは、燃焼器の燃焼副生成物出口の下流側で第２温度を検知するように構成される。コントローラは、第１温度センサと第２温度センサとに通信可能に接続され、第１温度の設定値と検知した第１温度との差を決定し、第１温度の設定値と検知した第１温度との差に基づいて、第２温度の設定値を決定し、第２温度の設定値と検知した第２温度との差を決定し、（１）第１温度の設定値と検知した第１温度との差、及び（２）第２温度の設定値と検知した第２温度との差を減少させるように、燃料電池スタックと、エゼクタと、燃焼器とを通る酸化剤の質量流量を制御するように構成される。
幾つかの実施形態では、燃料電池システムは、カソードエゼクタと流体連通し、燃料電池スタックと、エゼクタと、燃焼器とを通る酸化剤の質量流量を制御するように動作する酸化剤流量制御装置をさらに備える。幾つかの実施形態では、コントローラは、酸化剤流量制御装置に動作可能に接続され、酸化剤流量制御装置の出力を制御することによって燃料電池スタックと、エゼクタと、燃焼器とを通る酸化剤の質量流量を制御するように構成される。幾つかの実施形態では、酸化剤流量制御装置はターボ発電機を備え、コントローラは、ターボ発電機の回転速度を制御することによって酸化剤流量制御装置の出力を制御するように構成される。幾つかの実施形態では、コントローラは、第２温度の設定値と検知した第２温度との差に基づいて、酸化剤流量制御装置の設定値を決定し、酸化剤流量制御装置の設定値を使用して酸化剤流量制御装置の出力を制御するように構成される。
幾つかの実施形態では、コントローラは、第１温度の設定値と検知した第１温度との差を決定するように構成された第１比例・積分・微分（ＰＩＤ）モジュールを備える。幾つかの実施形態では、第１ＰＩＤモジュールは、第１温度の設定値と検知した第１温度との差に基づいて第２温度の設定値を決定するように構成される。幾つかの実施形態では、コントローラは、第２温度の設定値と検知した第２温度との差を決定するように構成された第２ＰＩＤモジュールを備える。幾つかの実施形態では、第２ＰＩＤモジュールは、第２温度の設定値と検知した第２温度との差に基づいて酸化剤流量制御装置の設定値を決定するように構成される。幾つかの実施形態では、コントローラは、酸化剤流量制御装置の設定値を使用して酸化剤流量制御装置の出力を制御することによって、燃料電池システムを通る酸化剤の質量流量を制御するように構成される。
幾つかの実施形態では、燃料電池システムは、カソードエゼクタの動力流体入口と流体連通する低温側と、燃焼器の燃焼副生成物出口と流体連通する高温側とを有する熱交換器をさらに備え、第２温度センサは、燃焼器の燃焼副生成物出口の下流側及び熱交換器の上流側で第２温度を検知するように構成される。
本開示の燃料電池システムの一例示的実施形態の幾つかの構成要素のブロック図である。 図１の燃料電池システムの幾つかの構成要素の別のブロック図である。 破線で制御信号を表し、実線で流体流路を表した、シャットダウンモードから待機モードへの移行中の図１の燃料電池システムの幾つかの構成要素の別のブロック図である。 破線で制御信号を表し、実線で流体流路を表した、待機モードから動作モードへの移行中の図１の燃料電池システムの幾つかの構成要素の別のブロック図である。 破線で制御信号を表し、実線で流体流路を表した、動作モード中の図１の燃料電池システムの幾つかの構成要素の別のブロック図である。 破線で制御信号を表し、実線で流体流路を表した、待機モードから動作モードへの代替の移行中の、図１の燃料電池システムの幾つかの構成要素の別のブロック図である。
本明細書に記載される特徴、方法、装置、及びシステムは様々な形態で具体化され得るが、図面及び詳細な説明には、幾つかの例示的及び非限定的な実施形態が図示され、記載されている。図面及び詳細な説明に図示され、記載されているすべての構成要素が必要とされない場合もあり、幾つかの実施態様は、明示的に図示され、説明されている構成要素に対して追加的な、異なる、又はより少数の構成要素を含み得る。構成要素の配置及びタイプ；構成要素の形状、サイズ、及び材料；並びに構成要素の取り付け及び接続の方法の変更は、本出願で示される特許請求の範囲の趣旨又は範囲から逸脱することなくなされ得る。本明細書は、全体として考慮され、本明細書で教示され、当業者によって理解される本発明の原理に従って解釈されることが意図されている。
本開示の様々な実施形態は、燃料電池スタックで所望の温度を維持するために燃料電池システムを通る酸化剤の流れを調節するように構成された燃料電池システムを提供する。本燃料電池システムは、燃料電池スタックの外部の流体の温度測定値に基づいて、燃料電池スタック内の所望の温度を維持するために酸化剤の流れを制御するように構成される。
図１〜図５に、本開示の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム１００及びその構成要素の一例示的実施形態を示す。この例ではＳＯＦＣシステムが使用されているが、本開示は任意の他の適切な燃料電池システムで実施され得る。ＳＯＦＣシステム１００は、酸化剤熱交換器１１０と、カソードエゼクタ１１２と、酸化剤加熱器１１４と、ＳＯＦＣスタック１１６と、アノードエゼクタ１１８と、予備改質器１２０と、改質器１２２と、燃料熱交換器１２４と、補助エゼクタ１２６と、燃焼器１２８と、酸化剤流量制御装置１３０と、コントローラ１３２と、第１温度センサ１３４ａと、第２温度センサ１３４ｂと、第３温度センサ１３４ｃと、燃料流量制御装置１３６と、補助燃料流量制御装置１３８とを含む。
以下で詳細に説明するように、ＳＯＦＣシステム１００は、酸化剤源１０２（空気源など）と、燃料源１０４（天然ガス源、液化石油ガス源、バイオガス源など）と、補助燃料源１０６（天然ガス源、水素源、合成ガス源など）とに流体接続可能である。ＳＯＦＣシステム１００は、酸化剤源１０２からの酸化剤を使用して燃料源１０４からの燃料を酸化して、ＳＯＦＣスタック１１６が外部電気負荷に供給する電気を発生させるように動作する。ＳＯＦＣシステム１００は、補助燃料源１０６からの補助燃料を使用してＳＯＦＣスタック１１６に流入する酸化剤を加熱するように動作する。
１．構成要素
酸化剤熱交換器１１０は、（１）相互に流体連通する酸化剤入口及び酸化剤出口（符号なし）を有する低温側と、（２）相互に流体連通する燃焼副生成物入口及び燃焼副生成物出口（符号なし）を有する高温側と、を含む適切な熱交換器である。酸化剤熱交換器１１０は、燃焼副生成物入口から燃焼副生成物出口へ高温側を流れる比較的高温の燃焼副生成物から、酸化剤入口から酸化剤出口へ低温側を進む比較的低温の酸化剤に熱を伝達するように構成される。酸化剤熱交換器１１０は、この例示的実施形態では向流熱交換器であるが、酸化剤熱交換器１１０は、他の実施形態では任意の他の適切なタイプの熱交換器であってもよい。
カソードエゼクタ１１２は、相互に流体連通する動力流体入口１１２ａと、吸入流体入口１１２ｂと、流体出口１１２ｃとを含む。カソードエゼクタ１１２は、比較的高圧の動力流体が動力流体入口１１２ａに導入され、比較的低圧の吸入流体が吸入流体入口１１２ｂに存在する場合に、カソードエゼクタ１１２を通る動力流体の流れが、動力流体入口１１２ａ及び吸入流体入口１１２ｂの下流側で低圧領域（場合によっては真空）を生成するように（例えば先細／末広ノズル構造や任意の他の適切な構造を介して）構成される。この低圧領域は、吸入流体入口１１２ｂから吸入流体を吸引し、吸入流体を、流体出口１１２ｃから流出する前に動力流体と混合させる。
酸化剤加熱器１１４は、相互に流体連通する酸化剤入口と酸化剤出口と（符号なし）を含む。また酸化剤加熱器１１４は、補助燃料入口（符号なし）も含む。酸化剤加熱器１１４は、（補助燃料流量制御装置１３８から受け取った）補助燃料を熱に変換し、その熱を使用して酸化剤加熱器１１４と熱連通する酸化剤を加熱するように構成される。この例では、酸化剤加熱器１１４はガスバーナを含むが、他の実施形態では触媒始動バーナや電気加熱器などの任意の他の適切な装置であってもよい。
ＳＯＦＣスタック１１６は、電解質を挟んだアノードとカソードとを各々含む複数の個別のＳＯＦＣ（図示せず）を含む。ＳＯＦＣは、相互接続を介して直列に相互に電気的に接続されている。ＳＯＦＣスタック１１６は、相互に流体連通する燃料入口及び燃料出口（符号なし）と、相互に流体連通する酸化剤入口及び酸化剤出口（符号なし）とを含む。ＳＯＦＣスタック１１６はまた、電気負荷にも電気的に接続可能である。一般に、動作中に、酸化剤がカソードを通過して流れ、燃料がＳＯＦＣスタック１１６のＳＯＦＣのアノードを通過する際に、酸化剤中の酸素はカソードで還元されて、電解質を通ってアノードに拡散する酸素イオンになる。燃料はアノードで酸化され、電気負荷を流れる電子を生成する。
アノードエゼクタ１１８は、相互に流体連通する動力流体入口１１８ａと、吸入流体入口１１８ｂと、流体出口１１８ｃとを含む。アノードエゼクタ１１８は、比較的高圧の動力流体が動力流体入口１１８ａに導入され、比較的低圧の吸入流体が吸入流体入口１１８ｂに存在する場合に、アノードエゼクタ１１８を通る動力流体の流れが、動力流体入口１１８ａ及び吸入流体入口１１８ｂの下流側で低圧領域（場合によっては真空）を生成するように（例えば先細／末広ノズル構造や任意の他の適切な構造を介して）構成される。この低圧領域は、吸入流体入口１１８ｂから吸入流体を吸引し、吸入流体を、流体出口１１８ｃから流出する前に動力流体と混合させる。
予備改質器１２０は、相互に流体連通する燃料入口と燃料出口（符号なし）とを含む。予備改質器１２０は、非改質燃料から高級炭化水素を除去して非改質燃料を予備改質燃料に変換するように構成された（断熱触媒コンバータなどの）適切な装置である。特定の実施形態では、予備改質器は、燃料及び／又は排出された酸化剤に存在する熱以外の入熱なしでそうするように構成される。他の実施形態では、ＳＯＦＣシステムは予備改質器を含まない。
改質器１２２は、（１）相互に流体連通する燃料入口及び燃料出口（符号なし）を含む低温側と、（２）相互に流体連通する酸化剤入口及び酸化剤出口（符号なし）を含む高温側と、を含む。改質器１２２は、酸化剤入口から酸化剤出口へ高温側を流れる比較的高温の酸化剤から、燃料入口から燃料出口へ低温側を進む比較的低温の予備改質燃料に熱を伝達するように構成される。改質器１２２は、この例示的実施形態では（一部が）向流熱交換器であるが、改質器１２２は、他の実施形態では任意の他の適切なタイプの熱交換器を組み込んでいてもよい。改質器１２２は、予備改質燃料が燃料入口から燃料出口へ流れる際に、予備改質燃料を触媒によって改質して改質燃料にするように構成される。予備改質燃料の加熱により、触媒変換プロセスが促進される。
燃料熱交換器１２４は、（１）相互に流体連通する燃料入口及び燃料出口（符号なし）を有する低温側と、（２）相互に流体連通する酸化剤入口及び酸化剤出口（符号なし）を有する高温側と、を含む。燃料熱交換器１２４は、酸化剤入口から酸化剤出口へ高温側を進む比較的高温の酸化剤から、燃料入口から燃料出口へ低温側を進む比較的低温の改質燃料に熱を伝達するように構成される。燃料熱交換器１２４は、この例示的実施形態では向流熱交換器であるが、燃料熱交換器１２４は、他の実施形態では任意の他の適切なタイプの熱交換器であってもよい。
補助エゼクタ１２６は、相互に流体連通する動力流体入口１２６ａと、吸入流体入口１２６ｂと、流体出口１２６ｃとを含む。補助エゼクタ１２６は、比較的高圧の動力流体が動力流体入口１２６ａに導入され、比較的低圧の吸入流体が吸入流体入口１２６ｂに存在する場合に、補助エゼクタ１２６を通る動力流体の流れが、動力流体入口１２６ａ及び吸入流体入口１２６ｂの下流側で低圧領域（場合によっては真空）を生成するように（例えば先細／末広ノズル構造や任意の他の適切な構造を介して）構成される。この低圧領域は、吸入流体入口１２６ｂから吸入流体を吸引し、吸入流体を、流体出口１２６ｃから流出する前に動力流体と混合させる。
燃焼器１２８は、相互に流体連通する燃焼生成物入口と燃焼副生成物出口（符号なし）とを含む。燃焼器１２８は、（１）ＳＯＦＣスタック１１６から排出された燃料、（２）ＳＯＦＣスタック１１６から排出された酸化剤、及び（３）酸化剤供給源１０２から受け取った新しい酸化剤を、（後述するように、補助エゼクタ１２６を介して）受け取り、その一部又は全部を燃焼させるように構成された（触媒始動ガス燃焼器などの）適切な装置である。燃焼器１２８と補助エゼクタ１２６とは、この例示的実施形態では別個の構成要素として示されているが、他の実施形態では、燃焼器と補助エゼクタとは単一の構成要素に組み合わされる。
酸化剤流量制御装置１３０は、相互に流体連通する酸化剤入口と酸化剤出口（符号なし）とを含む。酸化剤入口は、酸化剤流量制御装置１３０が酸化剤供給源１０２から酸化剤を引き出すことを可能にするように、酸化剤供給源１０２に流体接続可能である。酸化剤流量制御装置１３０は、ＳＯＦＣシステム１００への酸化剤の質量流量を（直接的又は間接的に）制御するように構成された任意の適切な装置である。酸化剤流量制御装置１３０は、例えば、ターボ発電機、ターボ過給機、空気圧縮機、調量バルブ、又は任意の他の適切なシステム若しくは（１つ若しくは複数の）構成要素を含み得る。
図２に示すように、コントローラ１３２は、メモリ（図示せず）に通信可能に接続された中央処理装置（ＣＰＵ）（図示せず）を含む。ＣＰＵは、ＳＯＦＣシステム１００の様々な構成要素の動作を制御するためにメモリに格納されたプログラムコード又は命令を実行するように構成される。ＣＰＵは、マイクロプロセッサ；連想メモリ；デジタル信号プロセッサ；特定用途向け集積回路；フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ；任意の適切なプログラマブル・ロジック・デバイス、ディスクリートゲート、若しくはトランジスタロジック；ディスクリート・ハードウェアコ・コンポーネント；又はこれらの任意の組み合わせであってよい。ＣＰＵはまた、デジタル信号プロセッサとマイクロプロセッサとの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサコアと１つ又は複数のマイクロプロセッサとの併用など、これらのデバイスの組み合わせとして実施されてもよい。
メモリは、ＳＯＦＣシステム１００の機能をサポートするために必要に応じてデータを格納し、維持し、提供するように構成される。例えば、様々な実施形態において、メモリは、ＳＯＦＣシステム１００の動作を制御するためにＣＰＵによって実行可能なプログラムコード又は命令を格納する。メモリは、揮発性メモリ（例えば、ランダムアクセスメモリ、ダイナミック・ランダムアクセス・メモリ、スタティック・ランダムアクセス・メモリ）；不揮発性メモリ（例えば、読み出し専用メモリ、マスク読み出し専用メモリ、プログラマブル読み出し専用メモリ、消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ、電気的消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ）；及び／又は不揮発性ランダムアクセスメモリ（例えば、フラッシュメモリ、固体記憶装置）など、１つ又は複数の任意の適切なデータ記憶装置を含む。
図４〜図６に示すように、コントローラ１３２はまた、第１比例・積分・微分（ＰＩＤ）モジュール１３２ａ、第２ＰＩＤモジュール１３２ｂ、及び第３ＰＩＤモジュール１３２ｃも含む。
温度センサ１３４ａ、温度センサ１３４ｂ及び温度センサ１３４ｃは、（後述する）ＳＯＦＣシステム１００（後述する）内の位置Ｔ１、位置Ｔ２、及び位置Ｔ３でそれぞれ流体又は構成要素の温度を検知し、検知した温度に対応する信号を生成し、コントローラ１３２に送るように構成された熱電対又は任意の他の適切なセンサである。
燃料流量制御装置１３６は、相互に流体連通する燃料入口と燃料出口（符号なし）とを含む。燃料入口は、燃料流量制御装置１３６が燃料源１０４から燃料を引き出すことを可能にするように、燃料源１０４に流体接続可能である。燃料流量制御装置１３６は、ＳＯＦＣシステム１００への燃料の質量流量を（直接的又は間接的に）制御するように構成された任意の適切な装置である。燃料流量制御装置１３６は、例えば、ポンプ、ガス圧縮機、調量バルブ、又は任意の他の適切なシステム若しくは（１つ若しくは複数の）構成要素を含み得る。
補助燃料流量制御装置１３８は、相互に流体連通する補助燃料入口と補助燃料出口（符号なし）とを含む。補助燃料入口は、補助燃料流量制御装置１３８が補助燃料源１０６から補助燃料を引き出すことを可能にするように、補助燃料源１０６に流体接続可能である。補助燃料流量制御装置１３８は、酸化剤加熱器１１４への補助燃料の質量流量を（直接的又は間接的に）制御するように構成された任意の適切な装置である。補助燃料流量制御装置１３８は、例えば、ポンプ、ガス圧縮機、調量バルブ、又は任意の他の適切なシステム若しくは（１つ若しくは複数の）構成要素を含み得る。
２．接続
酸化剤流量制御装置１３０の酸化剤入口は、酸化剤源１０２に流体接続可能である。酸化剤流量制御装置１３０の酸化剤出口は、酸化剤熱交換器１１０の低温側の酸化剤入口及び補助エゼクタ１２６の動力流体入口１２６ａと流体連通する。
酸化剤熱交換器１１０の低温側の酸化剤入口は、酸化剤流量制御装置１３０の酸化剤出口と流体連通する。酸化剤熱交換器１１０の低温側の酸化剤出口は、カソードエゼクタ１１２の動力流体入口１１２ａと流体連通する。酸化剤熱交換器１１０の高温側の燃焼副生成物入口は、燃焼器１２８の燃焼副生成物出口と流体連通する。酸化剤熱交換器１１０の高温側の燃焼副生成物出口は、補助エゼクタ１２６の吸入流体入口１２６ｂと流体連通し、ターボ発電機（図示せず）のタービン及び再生器（図示せず）を通過した後で大気に放出され得る。
カソードエゼクタ１１２の動力流体入口１１２ａは、酸化剤熱交換器１１０の低温側の酸化剤出口と流体連通する。カソードエゼクタ１１２の吸入流体入口１１２ｂは、ＳＯＦＣスタック１１６の酸化剤出口と流体連通する。カソードエゼクタ１１２の流体出口１１２ｃは、酸化剤加熱器１１４の酸化剤入口と流体連通する。
補助燃料流量制御装置１３８の補助燃料入口は、補助燃料源１０６に流体接続可能である。補助燃料流量制御装置１３８の補助燃料出口は、酸化剤加熱器１１４の補助燃料入口と流体連通する。
酸化剤加熱器１１４の酸化剤入口は、カソードエゼクタ１１２の流体出口１１２ｃと流体連通する。酸化剤加熱器１１４の酸化剤出口は、ＳＯＦＣスタック１１６の酸化剤入口と流体連通する。酸化剤加熱器１１４の補助燃料入口は、補助燃料流量制御装置１３８の補助燃料出口と流体連通する。
ＳＯＦＣスタック１１６の酸化剤入口は、酸化剤加熱器１１４の酸化剤出口と流体連通する。ＳＯＦＣスタック１１６の酸化剤出口は、カソードエゼクタ１１２の吸入流体入口１１２ｂと流体連通する。ＳＯＦＣスタック１１６の燃料入口は、燃料熱交換器１２４の燃料出口と流体連通する。ＳＯＦＣスタック１１６の燃料出口は、アノードエゼクタ１１８の吸入流体入口１１８ｂ及び補助エゼクタ１２６の吸入流体入口１２６ｂとそれぞれ流体連通する。
燃料流量制御装置１３６の燃料入口は、燃料源１０４に流体接続可能である。燃料流量制御装置１３６の燃料出口は、アノードエゼクタ１１８の動力流体入口１１８ａと流体連通する。
アノードエゼクタ１１８の動力流体入口１１８ａは、燃料流量制御装置１３６の燃料出口と流体連通する。アノードエゼクタ１１８の吸入流体入口１１８ｂは、ＳＯＦＣスタック１１６の燃料出口と流体連通する。アノードエゼクタ１１８の流体出口１１８ｃは、予備改質器１２０の燃料入口と流体連通する。
予備改質器１２０の燃料入口は、アノードエゼクタ１１８の流体出口１１８ｃと流体連通する。予備改質器１２０の燃料出口は、改質器１２２の燃料入口及び燃料熱交換器１２４の燃料入口と流体連通する。
改質器１２２の燃料入口は、予備改質器１２０の燃料出口と流体連通する。改質器１２２の燃料出口は、燃料熱交換器１２４の燃料入口と流体連通する。改質器１２２の酸化剤入口は、燃料熱交換器１２４の酸化剤出口と流体連通する。改質器１２２の酸化剤出口は、補助エゼクタ１２６の吸入流体入口１２６ｂと流体連通する。
燃料熱交換器１２４の燃料入口は、予備改質器１２０の燃料出口及び改質器１２２の燃料出口と流体連通する。燃料熱交換器１２４の燃料出口は、ＳＯＦＣスタック１１６の燃料入口と流体連通する。燃料熱交換器１２４の酸化剤入口は、ＳＯＦＣスタック１１６の酸化剤出口と流体連通する。燃料熱交換器１２４の酸化剤出口は、改質器１２２の酸化剤入口と流体連通する。
補助エゼクタ１２６の動力流体入口１２６ａは、酸化剤流量制御装置１３０の酸化剤出口と流体連通する。補助エゼクタ１２６の吸入流体入口１２６ｂは、（１）ＳＯＦＣスタック１１６の燃料出口、（２）改質器１２２の酸化剤出口、及び（３）酸化剤熱交換器１１０の高温側の燃焼副生成物出口、と流体連通する。補助エゼクタ１２６の流体出口１２６ｃは、燃焼器１２８の燃焼生成物入口と流体連通する。
燃焼器１２８の燃焼生成物入口は、補助エゼクタ１２６の流体出口１２６ｃと流体連通する。燃焼器１２８の燃焼副生成物出口は、酸化剤熱交換器１１０の高温側の燃焼副生成物入口と流体連通する。
第１温度センサ１３４ａは、カソードエゼクタ１１２の吸入流体入口１１２ｂの上流側及びＳＯＦＣスタック１１６の酸化剤出口の下流側に、第１温度センサ１３４ａがその場所で流体（ここでは酸化剤）の温度Ｔ１を検知できるように位置決めされる。第２温度センサ１３４ｂは、燃焼器１２８の燃焼副生成物出口の下流側及び酸化剤熱交換器１１０の高温側の燃焼副生成物入口の上流側に、第２温度センサ１３４ｂがその場所で流体（ここでは燃焼副生成物）の温度Ｔ２を検知できるように位置決めされる。第３温度センサ１３４ｃは、ＳＯＦＣスタック１１６の酸化剤入口の上流側及び酸化剤加熱器１１４の酸化剤出口の下流側に、第３温度センサ１３４ｃがその場所で流体（ここでは酸化剤）の温度Ｔ３を検知できるように位置決めされる。
図２に示すように、コントローラ１３２は、検知した温度に対応する温度センサからの信号を受け取るように、第１温度センサ１３４ａ、第２温度センサ１３４ｂ、及び第３温度センサ１３４ｃに通信可能に接続される。
コントローラ１３２は、酸化剤流量制御装置１３０に酸化剤流量制御装置の設定値ＯＦＣＤSPを提供することによって酸化剤流量制御装置１３０を制御するように酸化剤流量制御装置１３０に動作可能に接続される。ＯＦＣＤSPは、それ自体がＳＯＦＣシステム１００への酸化剤の特定の質量流量に対応する酸化剤流量制御装置１３０の特定の出力（酸化剤流量制御装置がタービンである場合には特定の毎分の回転数など）に対応する。従って、コントローラ１３２は、コントローラ１３２が酸化剤流量制御装置１３０に提供するＯＦＣＤSPを介して、ＳＯＦＣシステム１００への酸化剤の質量流量を制御するように構成される。
コントローラ１３２は、燃料流量制御装置１３６に燃料流量制御装置の設定値ＦＦＣＤSPを提供することによって（特定の動作モードで）燃料流量制御装置１３６を制御するように燃料流量制御装置１３６に動作可能に接続される。ＦＦＣＤSPは、それ自体がＳＯＦＣシステム１００への燃料の特定の質量流量に対応する燃料流量制御装置１３６の特定の出力（燃料流量制御装置がポンプである場合には特定の毎分の量など）に対応する。従って、コントローラ１３２は、コントローラ１３２が燃料流量制御装置１３６に提供するＦＦＣＤSPを介して、ＳＯＦＣシステム１００への燃料の質量流量を制御するように構成される。
コントローラ１３２は、補助燃料流量制御装置に補助燃料流量制御装置の設定値ＡＦＦＣＤSPを提供することによって（特定の動作モードで）補助燃料流量制御装置１３８を制御するように補助燃料流量制御装置１３８に動作可能に接続される。ＡＦＦＣＤSPは、酸化剤加熱器１１４が酸化剤に供給する熱量にそれ自体が対応する補助燃料流量制御装置１３８の特定の出力（補助燃料流量制御装置がポンプである場合には特定の毎分の量など）に対応する。従って、コントローラ１３２は、コントローラ１３２が補助燃料流量制御装置に提供するＡＦＦＣＤSPを介して、酸化剤加熱器１１４が酸化剤に供給する熱量を制御するように構成される。
３．動作
ＳＯＦＣシステム１００は、動作モード及び待機モードで動作する。本明細書で使用されるシャットダウンモードとは、ＳＯＦＣシステム１００が動作しておらず、周囲温度にある状態を指す。
ＳＯＦＣシステム１００が動作モードにあるとき、ＳＯＦＣスタック１１６は、約摂氏８００度〜摂氏１０００度など、動作温度の範囲内の動作温度にあり、ＳＯＦＣシステム１００は、ＳＯＦＣスタック１１６のカソード側に酸化剤を、ＳＯＦＣスタック１１６のアノード側に燃料を供給する。その後の反応により、電気負荷３００に供給される電気が発生する。
ＳＯＦＣシステム１００が待機モードにあるとき、ＳＯＦＣスタック１１６は、動作温度の範囲内（又は動作温度範囲未満）であり得る待機温度にあり、ＳＯＦＣシステム１００は、ＳＯＦＣスタック１１６のカソード側に酸化剤を供給するが、ＳＯＦＣスタック１１６のアノード側に燃料を供給しない。これは、ＳＯＦＣスタック１１６が待機モードでは電気負荷３００に電力を供給しないことを意味する。ＳＯＦＣスタック１１６が待機モードにあるときに動作温度に維持されることを確実にするために、ＳＯＦＣシステム１００は、酸化剤加熱器１１４に補助燃料を供給してＳＯＦＣスタック１１６に流入する酸化剤を加熱する。
一般に、酸化剤は、ＳＯＦＣシステム１００を流れる場合、次のように流れる。コントローラ１３２は、酸化剤源１０２から酸化剤を引き出し、酸化剤を酸化剤熱交換器１１０の低温側の酸化剤入口に供給するよう酸化剤流量制御装置１３０を制御するように構成される。酸化剤が酸化剤入口から酸化剤出口へ流れる際に、（後述する）酸化剤熱交換器１１０の高温側を進む比較的高温の燃焼副生成物（又は、動作モードによっては、酸化剤）が酸化剤を加熱する。酸化剤は、酸化剤熱交換器１１０の低温側の酸化剤出口を出て、カソードエゼクタ１１２の動力流体入口１１２ａに流入する。
酸化剤は、カソードエゼクタ１１２を流れ、吸入流体入口１１２ｂで受け取った酸化剤と混合し、流体出口１１２ｃから流出して酸化剤加熱器１１４の酸化剤入口に至る。補助燃料流量制御装置１３８が酸化剤加熱器１１４に補助燃料を供給している場合、酸化剤加熱器１１４は、酸化剤が酸化剤加熱器１１４の酸化剤入口から酸化剤加熱器１１４の酸化剤出口へ流れる際に酸化剤を加熱する。
酸化剤は、第３温度センサ１３４ｃを通過してＳＯＦＣスタック１１６の酸化剤入口へ流れる。酸化剤は、ＳＯＦＣスタック１１６の酸化剤入口からＳＯＦＣスタック１１６の酸化剤出口へ流れる。酸化剤は、ＳＯＦＣスタック１１６の酸化剤出口から、（１）第１温度センサ１３４ａを通過してカソードエゼクタ１１２の吸入流体入口１１２ｂへ、又は（２）燃料熱交換器１２４の酸化剤入口へ、流れる。前述したように、カソードエゼクタ１１２の吸入流体入口１１２ｂへ流れる酸化剤は、動力流体入口１１２ａで受け取った酸化剤と混合し、酸化剤加熱器１１４に戻る。
燃料熱交換器１２４の酸化剤入口へ流れる酸化剤は、燃料熱交換器１２４を流れ、燃料熱交換器１２４の酸化剤出口を出て、改質器１２２の酸化剤入口へ流れる。酸化剤は、改質器１２２を流れ、改質器１２２の酸化剤出口を出て、補助エゼクタ１２６の吸入流体入口１２６ｂへ流れる。
燃料が同時にＳＯＦＣシステム１００を流れていない場合、酸化剤は酸化剤熱交換器１１０から受け取った酸化剤と混合し、動力流体入口１２６ａで酸化剤流量制御装置１３０から受け取った酸化剤によって補助エゼクタ１２６を通して吸引される。酸化剤は、流体出口１２６ｃから流出して燃焼器１２８の燃焼生成物入口に至る。酸化剤中に燃料が存在しないので、酸化剤は点火されずに燃焼器１２８を流れ、第２温度センサ１３４ｂを通過して、酸化剤熱交換器１１０の高温側の燃焼副生成物入口に至る。この比較的高温の酸化剤は、酸化剤熱交換器１１０を流れる際に、前述したように、酸化剤流量制御装置１３０からカソードエゼクタ１１２へ流れる新しい酸化剤を加熱する。酸化剤熱交換器１１０の高温側の燃焼副生成物出口を出た後、酸化剤の一部は補助エゼクタ１２６の吸入流体入口１２６ｂに戻り、酸化剤の一部は大気に排出される。
燃料が同時にＳＯＦＣシステム１００を流れている場合、補助エゼクタ１２６の吸入流体入口１２６ｂの酸化剤は、酸化剤熱交換器１１０から受け取った燃焼副生成物と混合し、動力流体入口１２６ａで酸化剤流量制御装置１３０から受け取った酸化剤によって補助エゼクタ１２６を通して吸引される。酸化剤／燃焼副生成物の混合物は、燃焼生成物と呼ばれ、流体出口１２６ｃから流出して燃焼器１２８の燃焼生成物入口に至る。燃焼器１２８は、燃焼生成物に点火して加熱された燃焼副生成物を生成し、加熱された燃焼副生成物は、燃焼器１２８の燃焼副生成物出口から第２温度センサ１３４ｂを通過して、酸化剤熱交換器１１０の高温側１１０ｂの燃焼副生成物入口へ流れる。これらの比較的高温の燃焼副生成物は、酸化剤熱交換器１１０を流れる際に、前述したように、酸化剤流量制御装置１３０からカソードエゼクタ１１２へ流れる新しい酸化剤を加熱する。酸化剤熱交換器１１０の高温側１１０ｂの燃焼副生成物出口を出た後、燃焼副生成物の一部は補助エゼクタ１２６の吸入流体入口１２６ｂに戻り、燃焼副生成物の一部は大気に排出される。
一般に、燃料は、ＳＯＦＣシステム１００を流れる場合、次のように流れる。燃料流量制御装置１３６は、燃料源１０４から非改質燃料を引き出し、非改質燃料をアノードエゼクタ１１８の動力流体入口１１８ａに供給するように構成される。非改質燃料は、アノードエゼクタ１１８を流れ、燃料電池スタック排気から再循環され、吸入流体入口１１８ｂで受け取られる燃料と混合し、流体出口１１８ｃから流出して予備改質器１２０の燃料入口に至る。
予備改質器１２０は、非改質燃料から高級炭化水素を除去して非改質燃料を予備改質燃料に変換する。改質／予備改質燃料の混合物は、予備改質器１２０の燃料出口から流出し、その時点で、混合物の一部は改質器１２２の低温側の燃料入口に流入し、混合物の一部は改質器１２２を迂回し、燃料加熱器１２４の燃料入口へ直接流れる。
混合物が改質器１２２の低温側を燃料入口から燃料出口へ流れる際に、改質器１２２の高温側を流れる比較的高温の酸化剤は混合物を加熱し、改質器１２２は、混合物の予備改質燃料部分を触媒によって改質して改質燃料にする。改質燃料は、改質器１２２の燃料出口から流れ、燃料加熱器１２４の低温側の燃料入口へ流れる前に改質器１２２を迂回した予備改質燃料／改質燃料の混合物と合流する。混合物が燃料加熱器１２４の低温側を流れる際に、燃料加熱器１２４の高温側を流れる比較的高温の酸化剤は、燃料加熱器１２４の燃料出口を出てＳＯＦＣスタック１１６の燃料入口へ流れる前に、混合物を加熱する。
予備改質／改質燃料の混合物は、ＳＯＦＣスタック１１６を流れ、ＳＯＦＣスタック１１６の燃料出口から、（１）アノードエゼクタ１１８の吸入流体入口１１８ｂと、（２）補助エゼクタ１２６の吸入流体入口１２６ｂと、に至る。吸入流体入口１２６ｂで受け取った予備改質／改質燃料の混合物は、前述したように、燃焼器１２８が点火する燃焼生成物の一部を形成する。
以下で、ＳＯＦＣシステム１００をシャットダウンモードから待機モードに移行させるための方法、ＳＯＦＣシステム１００を待機モードから動作モードに移行させるための方法、及びＳＯＦＣシステム１００を動作モードで動作させるための方法について説明する。
３．１シャットダウンモードから待機モードへの移行
図３に示すように、ＳＯＦＣシステム１００をシャットダウンモード（及び周囲温度）から待機モードに最初に起動すると、コントローラ１３２は、温度Ｔ３を所望の速度で待機温度まで上昇させるように動作する。コントローラ１３２は、これを、（１）酸化剤流量制御装置１３０を、ＳＯＦＣシステム１００への酸化剤の流入を制御するように制御し、（２）補助燃料流量制御装置１３８を、酸化剤加熱器１１４への補助燃料の流れ、よって酸化剤に加えられる熱量を制御するように制御すること、によって行うように構成される。起動中には燃料がＳＯＦＣシステム１００を流れないので、ＳＯＦＣスタック１１６は電気負荷に電気を供給しない。
より具体的には、コントローラ１３２は、酸化剤流量制御装置１３０に酸化剤流量制御装置の設定値（ＯＦＣＤSP）（コントローラ１３２のメモリに格納されていてもよい）を提供して、酸化剤流量制御装置１３０を、対応する質量流量の酸化剤をＳＯＦＣシステム１００に供給するよう制御するように構成される。酸化剤は、一般的に前述したようにＳＯＦＣシステム１００を流れる。コントローラ１３２はまた、ＳＯＦＣスタック１１６の動作温度までの制御された加熱を可能にするために、補助燃料流量制御装置１３８に補助燃料流量制御装置の設定値（ＡＦＦＣＤSP）（コントローラ１３２のメモリに格納されていてもよく、所定の機能に従って、又はＴ３に関連付けたＰＩＤフィードバックループを使用して決定されてもよい）を提供して、補助燃料流量制御装置１３８を、ある期間にわたって酸化剤加熱器１１４への補助燃料の質量流量（よって酸化剤加熱器１１４と熱連通する酸化剤に加えられる熱量）を増加させるよう制御するように構成される。
温度Ｔ３が（燃料がＳＯＦＣシステム１００を流れることなく）待機温度に達した後、ＳＯＦＣシステム１００は待機モードにあり、コントローラ１３２は、（例えば、Ｔ３に関連付けたＰＩＤフィードバックループを介して）温度Ｔ３を待機温度に維持するように酸化剤流量制御装置１３０及び補助燃料流量制御装置１３８を制御するように構成される。
３．２待機モードから動作モードへの移行
ＳＯＦＣシステム１００を待機モードから動作モードに移行させるために、コントローラ１３２は、動作温度の範囲内の温度Ｔ３を達成し、維持しながら、ＳＯＦＣシステム１００を流れる燃料量を増加させ、電気負荷に供給される電気量を増加させ、酸化剤加熱器に供給される補助燃料の量を徐々に減少させるように構成される。
そのために、コントローラ１３２は、（１）酸化剤流量制御装置１３０を、ＳＯＦＣシステム１００への酸化剤の流入を制御するように制御し、（２）補助燃料流量制御装置１３８を、酸化剤加熱器１１４への補助燃料の流れを、よって酸化剤に加えられる熱量を制御するように制御し、（３）燃料流量制御装置１３６を、ＳＯＦＣシステム１００への燃料の流入を制御するように制御する、ように構成される。
より具体的には、コントローラ１３２は、ＳＯＦＣシステム１００に一定の質量流量の酸化剤を供給するために概ね一定のＯＦＣＤSPを提供するように構成される。酸化剤は、一般的に前述したようにＳＯＦＣシステム１００を流れる。
コントローラ１３２はまた、ＰＩＤフィードバックループに基づいてＡＦＦＣＤSPを決定するように構成される。この実施形態では、コントローラ１３２は、（ユーザ入力を介して、又はコントローラ１３２のメモリに格納されたルックアップテーブルを介して）ＳＯＦＣスタック入口温度の設定値Ｔ３SPを受け取るように構成され、設定値Ｔ３SPは、ＳＯＦＣスタック１１６の酸化剤入口の直ぐ上流側及び酸化剤加熱器１１４の酸化剤出口の下流側の酸化剤の所望の温度を表す。
コントローラ１３２は、温度Ｔ３に対応する信号を受け取るために第３温度センサ１３４ｃに通信可能に接続され、温度Ｔ３は、ＳＯＦＣスタック１１６の酸化剤入口の直ぐ上流側及び酸化剤加熱器１１４の酸化剤出口の下流側の酸化剤の測定温度を表す。コントローラ１３２は、特定の期間にわたる複数の測定温度からの算術平均値、中央値、又は別の平均温度Ｔ３MEASを計算するように構成される（が、他の実施形態では、Ｔ３MEASは瞬時温度読み取り値を表す）。
第３ＰＩＤモジュール１３２ｃは、Ｔ３SPとＴ３MEASとの差（もしあれば）を計算し、補助燃料流量制御装置１３８の出力を、Ｔ３SPとＴ３MEASとの差を減少させるように制御する。第３ＰＩＤモジュール１３２ｃは、これを、Ｔ３SPとＴ３MEASとの差を使用して、（酸化剤加熱器１１４の動作によって）Ｔ３SPとＴ３MEASとの差を減少させることになる補助燃料流量制御装置１３８の出力に対応するＡＦＦＣＤSPを決定することによって行うように構成される。従って、この実施形態では、コントローラ１３２は、Ｔ３MEASをＴ３SPに収束させるように補助燃料流量制御装置１３８の出力を調節するように構成される。コントローラ１３２は、補助燃料流量制御装置１３８にＡＦＦＣＤSPを提供して、酸化剤加熱器１１４によって供給される熱を制御するように構成される。一般に、ＡＦＦＣＤSPは、ＳＯＦＣスタック１１６内の化学反応が熱を発生するためにＳＯＦＣスタック１１６が加熱するにつれて経時的に減少する。
コントローラ１３２はまた、ＦＦＣＤSPを決定し、燃料流量制御装置１３６に提供して、燃料流量制御装置１３６（従ってＳＯＦＣシステム１００への燃料の質量流量）を制御するように構成される。ＦＦＣＤSPは、ＳＯＦＣスタック１１６が電気負荷に供給するよう求められる電流量に対応する電流設定値ＩSPに従って変化する。ＩSPとＦＦＣＤSPとは、ＩSPが高いほどＦＦＣＤSPが高くなるような直接的関係で関連している。燃料は、一般的に前述したようにＳＯＦＣシステム１００を流れる。
補助燃料の質量流量がゼロに達した後、燃料はＳＯＦＣシステム１００を流れ、ＳＯＦＣスタック１１６は動作温度にあり、ＳＯＦＣシステム１００は動作モードにある。
他の実施形態では、コントローラ１３２は、ＩSPに基づいてＴ３SPを決定する。即ち、これらの実施形態では、Ｔ３SPとＩSPとの間に関係が存在する。
図６に、待機モードから動作モードに移行する異なる方法を用いるＳＯＦＣシステムの代替の実施形態を示す。この実施形態では、コントローラ１３２は、ＰＩＤフィードバックループに基づいてＯＦＣＤSPを決定するように構成される。第３ＰＩＤモジュール１３２ｃは、Ｔ３SPとＴ３MEASとの差（もしあれば）を計算するように構成され、酸化剤流量制御装置１３０の出力を、Ｔ３SPとＴ３MEASとの差を減少させるように制御する。ＰＩＤモジュール１３２ｃは、これを、Ｔ３SPとＴ３MEASとの差を使用して、Ｔ３SPとＴ３MEASとの差を減少させることになる酸化剤流量制御装置１３０の出力に対応するＯＦＣＤSPを決定することによって行うように構成される。従って、この実施形態では、コントローラ１３２は、Ｔ３MEASをＴ３SPに収束させるように酸化剤流量制御装置１３０の出力を、従ってＳＯＦＣシステム１００への酸化剤の質量流量を調節するように構成される。
この実施形態では、コントローラ１３２は、（例えば、ルックアップテーブルによって）ＦＦＣＤSPを決定し、燃料流量制御装置１３６に提供して、燃料流量制御装置１３６（従ってＳＯＦＣシステム１００への燃料の質量流量）を制御するように構成される。ＦＦＣＤSPは、ＩSPに従って変化する。ＩSPとＦＦＣＤSPとは、ＩSPが高いほどＦＦＣＤSPが高くなるような直接的関係で関連している。加えて、コントローラ１３２は、（例えば、ルックアップテーブルによって）ＡＦＦＣＤSPを決定し、酸化剤加熱器１１４に提供して、酸化剤加熱器１１４を制御するようにも構成される。ＡＦＦＣＤSPは、ＩSPに従って変化する。ＩSPとＡＦＦＣＤSPは、ＩSPが高いほどＡＦＦＣＤSPが高くなるような直接関係で関連している。
３．３動作モード
コントローラ１３２は、動作モードにあるとき、ＳＯＦＣスタック１１６の温度を動作温度（又は動作温度の範囲内）に維持するように構成される。コントローラ１３２は、これを、（１）酸化剤流量制御装置１３０を、ＳＯＦＣシステム１００への酸化剤の流入を制御するように制御し、（２）燃料流量制御装置１３６を、ＳＯＦＣシステム１００への燃料の流入を制御するように制御すること、によって行うように構成される。
コントローラ１３２は、（例えば、ルックアップテーブルによって）ＦＦＣＤSPを決定し、燃料流量制御装置１３６に提供して、燃料流量制御装置１３６（従ってＳＯＦＣシステム１００への燃料の質量流量）を制御するように構成される。ＦＦＣＤSPは、ＩSPに従って変化する。ＩSPとＦＦＣＤSPとは、ＩSPが高いほどＦＦＣＤSPが高くなるような直接的関係で関連している。燃料の質量流量にかかわらず、燃料は、移行動作モードについて一般的に前述したようにＳＯＦＣシステム１００を進む。
コントローラ１３２はまた、ＯＦＣＤSPを決定し、酸化剤流量制御装置１３０に提供して、酸化剤流量制御装置１３０（従ってＳＯＦＣシステム１００への燃料の質量流量）を制御するようにも構成される。動作モードでは、コントローラ１３２は、（後述する）Ｔ１及びＴ２に関連付けたＰＩＤフィードバックループに基づいてＯＦＣＤSPを決定するように構成される。
他の要因は（全体として動作モードにあるため）一定に保持されているので、ＳＯＦＣシステム１００に流入する酸化剤の質量流量により、ＳＯＦＣスタック１１６の温度が制御される。そのため動作モードでは、コントローラ１３２は、酸化剤流量制御装置１３０の出力を制御することによってＳＯＦＣスタック１１６の温度を制御するように構成される。一般に、ＳＯＦＣシステム１００に流入する酸化剤の質量流量が高いほど、酸化剤がＳＯＦＣスタック１１６に与える冷却効果は大きくなり、ＳＯＦＣスタック１１６の温度は低くなる。逆に、ＳＯＦＣシステム１００に流入する酸化剤の質量流量が低いほど、酸化剤がＳＯＦＣスタック１１６に与える冷却効果は小さくなり、ＳＯＦＣスタック１１６の温度は高くなる。そのため、ＳＯＦＣスタック１１６の温度が所望よりも高い場合、コントローラ１３２は、ＳＯＦＣシステム１００に流入する酸化剤の質量流量を増加させてその冷却効果を高め、ＳＯＦＣスタック１１６の温度を下げるよう酸化剤流量制御装置１３０を制御するように構成される。逆に、ＳＯＦＣスタック１１６の温度が所望よりも低い場合、コントローラ１３２は、ＳＯＦＣシステム１００に流入する酸化剤の質量流量を減少させてその冷却効果を弱め、ＳＯＦＣスタック１１６の温度を上げるよう酸化剤流量制御装置１３０を制御するように構成される。
動作モードでは、コントローラ１３２は、ＰＩＤフィードバックループに基づいてＯＦＣＤSPを決定するように構成される。第１ＰＩＤモジュール１３２ａは、カソードエゼクタ温度の設定値Ｔ１SPを受け取るように構成され、設定値Ｔ１SPは、カソードエゼクタ１１２の吸入流体入口１１２ｂの上流側及びＳＯＦＣスタック１１６の酸化剤出口の下流側の酸化剤の所望の温度を表す。第１ＰＩＤモジュール１３２ａは、ユーザ入力を介して、又はコントローラ１３２のメモリに格納されたルックアップテーブルを介してＴ１SPを受け取ってよい。特定の実施形態では、コントローラはＩSPに基づいてＴ１SPを決定する。
第１ＰＩＤモジュール１３２ａは、温度Ｔ１に対応する信号を受け取るために第１温度センサ１３４ａに通信可能に接続され、温度Ｔ１は、カソードエゼクタ１１２の吸入流体入口１１２ｂの上流側及びＳＯＦＣスタック１１６の酸化剤出口の下流側の酸化剤の測定温度である。コントローラ１３２は、特定の期間にわたる複数の測定温度からの算術平均値、中央値、又は別の平均温度Ｔ１MEASを計算するように構成される（が、他の実施形態では、Ｔ１MEASは瞬時温度読み取り値を表す）。
第１ＰＩＤモジュール１３２ａは、Ｔ１SPとＴ１MEASとの差（もしあれば）を計算し、その差に基づいてＴ２SPを計算するように構成される。Ｔ２SPは、燃焼器１２８の燃焼副生成物出口の下流側及び酸化剤熱交換器１１０の高温側の燃焼副生成物入口の上流側の燃焼副生成物の所望の温度を表す。第１ＰＩＤモジュール１３２ａは、Ｔ２SPを第２ＰＩＤモジュール１３２ｂに送るように構成される。
第２ＰＩＤモジュール１３２ｂは、温度Ｔ２を表す信号を受け取るために第２温度センサ１３４ｂに通信可能に接続され、温度Ｔ２は、燃焼器１２８の燃焼副生成物出口の下流側及び酸化剤熱交換器１１０の高温側の燃焼副生成物入口の上流側の燃焼副生成物の測定温度である。コントローラ１３２は、特定の期間にわたる複数の測定温度からの算術平均、中央値、又は別の平均温度Ｔ２MEASを計算するように構成される（が、他の実施形態では、Ｔ２MEASは瞬時温度読み取り値を表す）。
第２ＰＩＤモジュール１３２ｂは、Ｔ２SPとＴ２MEASとの差（もしあれば）を決定し、その差に基づいてＯＦＣＤSPを計算するように構成される。ＯＦＣＤSPは、Ｔ２MEASをＴ２SPにし、Ｔ１MEASをＴ１SPにし、それによってＳＯＦＣスタック１１６の温度を所望の温度にするのに必要とされる、ＳＯＦＣシステム１００に流入する酸化剤の特定の質量流量に対応する。コントローラ１３２は、酸化剤流量制御装置１３０にＯＦＣＤSPを提供して、酸化剤流量制御装置１３０を、酸化剤源１０２から酸化剤を引き出すよう制御するように構成される。酸化剤の質量流量にかかわらず、酸化剤は、起動動作モードについて一般的に前述したようにＳＯＦＣシステム１００を進む。
従って、コントローラ１３２は、ＳＯＦＣスタック１１６の温度を所望の温度（又は所望の温度範囲内）に維持するために、ＳＯＦＣスタック１１６の外部で取られた流体温度測定値に基づいて酸化剤流量制御装置１３０の出力を調節するように構成される。これにより、より速い応答時間が提供されるため、ＳＯＦＣスタック１１６で取られた温度測定値を使用してＳＯＦＣスタックにおいて所望の温度を達成するために酸化剤流量制御装置１３０の出力をどのように調節すべきかを決定するよりも有益である。ＳＯＦＣスタック１１６は、Ｔ１及びＴ２における酸化剤と比較して熱変化への応答が遅い。
燃料電池システムを動作させる方法は、第１温度センサによって、カソードエゼクタの上流側及び燃料電池スタックの下流側で酸化剤の第１温度を測定し、第２温度センサによって、燃焼器の下流側で燃焼副生成物の第２温度を測定し、コントローラによって、第１温度の設定値と検知した第１温度との差を決定し、コントローラによって、第１温度の設定値と検知した第１温度との差に基づいて、第２温度の設定値を決定し、コントローラによって、第２温度の設定値と検知した第２温度との差を決定し、コントローラによって、（１）第１温度の設定値と検知した第１温度との差、及び、（２）第２温度の設定値と検知した第２温度との差、を減少させるように、燃料電池システムを通る酸化剤の質量流量を制御することを含む。
幾つかの実施形態では、燃料電池システムへの酸化剤の質量流量を制御することは、酸化剤流量制御装置の出力を制御することを含む。幾つかの実施形態では、酸化剤流量制御装置はターボ発電機を備え、酸化剤流量制御装置の出力を制御することは、ターボ発電機の回転速度を制御することを含む。幾つかの実施形態では、本方法は、コントローラによって、第２温度の設定値と検知した第２温度との差に基づいて、酸化剤流量制御装置の設定値を決定することと、酸化剤流量制御装置の設定値を使用して酸化剤流量制御装置の出力を制御することと、をさらに含む。
幾つかの実施形態では、第１温度の設定値と検知した第１温度との差を決定することは、コントローラの第１比例・積分・微分（ＰＩＤ）モジュールによって、第１温度の設定値と検知した第１温度との差を決定することを含む。幾つかの実施形態では、第１温度の設定値と検知した第１温度との差に基づいて、第２温度の設定値を決定することは、コントローラの第１ＰＩＤモジュールによって、第１温度の設定値と検知した第１温度との差に基づいて、第２温度の設定値を決定することを含む。幾つかの実施形態では、第２温度の設定値と検知した第２温度との差を決定することは、コントローラの第２ＰＩＤモジュールによって、第２温度の設定値と検知した第２温度との差を決定することを含む。
幾つかの実施形態では、本方法は、コントローラの第２ＰＩＤモジュールによって、第２温度の設定値と検知した第２温度との差に基づいて、酸化剤流量制御装置の設定値を決定することをさらに含む。幾つかの実施形態では、燃料電池システムを通る酸化剤の質量流量を制御することは、酸化剤流量制御装置の設定値を使用して酸化剤流量制御装置の出力を制御することを含む。
燃料電池システムは、燃料電池スタックと、カソードエゼクタと、燃焼器と、第１温度センサと、第２温度センサと、コントローラとを備える。燃料電池スタックは、各々がアノードと、カソードとを備え、酸化剤入口と、酸化剤出口とを含む複数の燃料電池を備える。カソードエゼクタは、動力流体入口と、燃料電池スタックの酸化剤出口と流体連通する吸入流体入口と、燃料電池スタックの酸化剤入口と流体連通する流体出口とを備える。燃焼器は、燃焼生成物入口と、燃焼副生成物出口と含み、燃焼生成物入口は、燃料電池スタックの酸化剤出口と流体連通する。第１温度センサは、燃料電池スタックの酸化剤出口とカソードエゼクタの吸入流体入口との間で第１温度を検知するように構成される。第２温度センサは、燃焼器の燃焼副生成物出口の下流側で第２温度を検知するように構成される。コントローラは、第１温度センサと第２温度センサとに通信可能に接続され、第１温度の設定値と検知した第１温度との差を決定し、第１温度の設定値と検知した第１温度との差に基づいて、第２温度の設定値を決定し、第２温度の設定値と検知した第２温度との差を決定し、（１）第１温度の設定値と検知した第１温度との差、及び（２）第２温度の設定値と検知した第２温度との差を減少させるように、燃料電池スタックと、エゼクタと、燃焼器とを通る酸化剤の質量流量を制御するように構成される。
幾つかの実施形態では、燃料電池システムは、カソードエゼクタと流体連通し、燃料電池スタックと、エゼクタと、燃焼器とを通る酸化剤の質量流量を制御するように動作する酸化剤流量制御装置をさらに備える。幾つかの実施形態では、コントローラは、酸化剤流量制御装置に動作可能に接続され、酸化剤流量制御装置の出力を制御することによって燃料電池スタックと、エゼクタと、燃焼器とを通る酸化剤の質量流量を制御するように構成される。幾つかの実施形態では、酸化剤流量制御装置はターボ発電機を備え、コントローラは、ターボ発電機の回転速度を制御することによって酸化剤流量制御装置の出力を制御するように構成される。幾つかの実施形態では、コントローラは、第２温度の設定値と検知した第２温度との差に基づいて、酸化剤流量制御装置の設定値を決定し、酸化剤流量制御装置の設定値を使用して酸化剤流量制御装置の出力を制御するように構成される。
幾つかの実施形態では、コントローラは、第１温度の設定値と検知した第１温度との差を決定するように構成された第１比例・積分・微分（ＰＩＤ）モジュールを備える。幾つかの実施形態では、第１ＰＩＤモジュールは、第１温度の設定値と検知した第１温度との差に基づいて第２温度の設定値を決定するように構成される。幾つかの実施形態では、コントローラは、第２温度の設定値と検知した第２温度との差を決定するように構成された第２ＰＩＤモジュールを備える。幾つかの実施形態では、第２ＰＩＤモジュールは、第２温度の設定値と検知した第２温度との差に基づいて酸化剤流量制御装置の設定値を決定するように構成される。幾つかの実施形態では、コントローラは、酸化剤流量制御装置の設定値を使用して酸化剤流量制御装置の出力を制御することによって、燃料電池システムを通る酸化剤の質量流量を制御するように構成される。
幾つかの実施形態では、燃料電池システムは、カソードエゼクタの動力流体入口と流体連通する低温側と、燃焼器の燃焼副生成物出口と流体連通する高温側とを有する熱交換器をさらに備え、第２温度センサは、燃焼器の燃焼副生成物出口の下流側及び熱交換器の上流側で第２温度を検知するように構成される。
本明細書に記載された実施形態に対する様々な改変は、当業者には明らかであろう。これらの改変は、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することも、意図された利点を損なうこともなく行うことができる。そのような変更及び改変は、添付の特許請求の範囲によって包含されることが意図されている。

Claims (20)

  1. 燃料電池システムを動作させる方法であって、
    前記方法は、
    第１温度センサによって、カソードエゼクタの上流側及び前記燃料電池スタックの下流側で酸化剤の第１温度を測定し、
    第２温度センサによって、燃焼器の下流側で燃焼副生成物の第２温度を測定し、
    コントローラによって、第１温度の設定値と前記検知した第１温度との差を決定し、
    前記コントローラによって、前記第１温度の設定値と前記検知した第１温度との差に基づいて、第２温度の設定値を決定し、
    前記コントローラによって、前記第２温度の設定値と前記検知した第２温度との差を決定し、及び、
    前記コントローラによって、（１）前記第１温度の設定値と前記検知した第１温度との前記差、並びに、（２）前記第２温度の設定値と前記検知した第２温度との前記差、を減少させるように、前記燃料電池システムを通る前記酸化剤の質量流量を制御することを含んでなる、燃料電池システムを動作させる方法。
  2. 前記燃料電池システムへの酸化剤の前記質量流量を制御することが、酸化剤流量制御装置の出力を制御することを含んでなる、請求項１に記載の方法。
  3. 前記酸化剤流量制御装置がターボ発電機を備えてなり、及び前記酸化剤流量制御装置の前記出力を制御することが、前記ターボ発電機の回転速度を制御することを含んでなる、請求項２に記載の方法。
  4. 前記コントローラによって、前記第２温度の設定値と前記検知した第２温度との前記差に基づいて、酸化剤流量制御装置の設定値を決定し、及び前記酸化剤流量制御装置の設定値を使用して前記酸化剤流量制御装置の前記出力を制御することをさらに含んでなる、請求項３に記載の方法。
  5. 前記第１温度の設定値と前記検知した第１温度との前記差を決定することが、前記コントローラの第１比例・積分・微分（ＰＩＤ）モジュールによって、前記第１温度の設定値と前記検知した第１温度との前記差を決定することを含んでなる、請求項１に記載の方法。
  6. 前記第１温度の設定値と前記検知した第１温度との前記差に基づいて、前記第２温度の設定値を決定することが、前記コントローラの前記第１ＰＩＤモジュールによって、前記第１温度の設定値と前記検知した第１温度との前記差に基づいて、前記第２温度の設定値を決定することを含んでなる、請求項１に記載の方法。
  7. 前記第２温度の設定値と前記検知した第２温度との前記差を決定することが、前記コントローラの第２ＰＩＤモジュールによって、前記第２温度の設定値と前記検知した第２温度との差を決定することを含んでなる、請求項６に記載の方法。
  8. 前記コントローラの前記第２ＰＩＤモジュールによって、前記第２温度の設定値と前記検知した第２温度との前記差に基づいて、酸化剤流量制御装置の設定値を決定することをさらに含んでなる、請求項７に記載の方法。
  9. 前記燃料電池システムを通る前記酸化剤の前記質量流量を制御することが、前記酸化剤流量制御装置の設定値を使用して酸化剤流量制御装置の出力を制御することを含んでなる、請求項８に記載の方法。
  10. 燃料電池システムであって、
    複数の燃料電池を備えた燃料電池スタックと；
    前記複数の燃料電池の各々が、アノードと、カソードとを備えてなり、及び、酸化剤入口と、酸化剤出口とを含んでなり、
    カソードエゼクタと；
    前記カソードエゼクタが、動力流体入口と、前記燃料電池スタックの前記酸化剤出口と流体連通する吸入流体入口と、前記燃料電池スタックの前記酸化剤入口と流体連通する流体出口とを備えてなり、
    燃焼器と；
    前記燃焼器が、燃焼生成物入口と、燃焼副生成物出口と、及び、前記燃料電池スタックの前記酸化剤出口と流体連通する前記燃料生成物入口とを含んでなり、
    第１温度センサと；
    前記第１温度センサが、前記燃料電池スタックの前記酸化剤出口と前記カソードエゼクタの前記吸入流体入口との間で第１温度を検知するように構成されてなり、
    第２温度センサと；
    前記第２温度センサが、前記燃焼器の前記燃焼副生成物出口の下流側で第２温度を検知するように構成されてなり、及び、
    コントローラと；を備えてなるものであり、
    前記コントローラが、前記第１温度センサと前記第２温度センサと通信可能に接続されてなり、及び、
    第１温度の設定値と前記検知した第１温度との差を決定し、
    前記第１温度の設定値と前記検知した第１温度との差に基づいて、第２温度の設定値を決定し、
    前記第２温度の設定値と前記検知した第２温度との差を決定し、及び、
    （１）前記第１温度の設定値と前記検知した第１温度との前記差、並びに、（２）前記第２温度の設定値と前記検知した第２温度との前記差、を減少させるように、前記燃料電池スタックと、前記エゼクタと、及び前記燃焼器を通る前記酸化剤の質量流量を制御する、ように構成されてなる、燃料電池システム。
  11. 前記カソードエゼクタと流体連通し、及び前記燃料電池スタックと、前記エゼクタと、及び前記燃焼器とを通る前記酸化剤の前記質量流量を制御するように動作する酸化剤流量制御装置をさらに備えてなる、請求項１０に記載の燃料電池システム。
  12. 前記コントローラが、前記酸化剤流量制御装置に動作可能に接続されてなり、及び前記酸化剤流量制御装置の出力を制御することによって、前記燃料電池スタックと、前記エゼクタと、及び前記燃焼器とを通る前記酸化剤の前記質量流量を制御するように構成されてなる、請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記酸化剤流量制御装置が、ターボ発電機を備えてなり、前記コントローラが、前記ターボ発電機の回転速度を制御することによって前記酸化剤流量制御装置の前記出力を制御するように構成されてなる、請求項１２に記載の燃料電池システム。
  14. 前記コントローラが、前記第２温度の設定値と前記検知した第２温度との前記差に基づいて、酸化剤流量制御装置の設定値を決定し、及び前記酸化剤流量制御装置の設定値を使用して前記酸化剤流量制御装置の前記出力を制御するように構成されてなる、請求項１２に記載の燃料電池システム。
  15. 前記コントローラが、前記第１温度の設定値と前記検知した第１温度との前記差を決定するように構成された第１比例・積分・微分（ＰＩＤ）モジュールを備えてなる、請求項１０に記載の燃料電池システム。
  16. 前記第１ＰＩＤモジュールが、前記第１温度の設定値と前記検知した第１温度との前記差に基づいて前記第２温度の設定値を決定するように構成されてなる、請求項１５に記載の燃料電池システム。
  17. 前記コントローラが、前記第２温度の設定値と前記検知した第２温度との前記差を決定するように構成された第２ＰＩＤモジュールを備えてなる、請求項１６に記載の燃料電池システム。
  18. 前記第２ＰＩＤモジュールが、前記第２温度の設定値と前記検知した第２温度との前記差に基づいて酸化剤流量制御装置の設定値を決定するように構成されてなる、請求項１７に記載の燃料電池システム。
  19. 前記コントローラが、前記酸化剤流量制御装置の設定値を使用して酸化剤流量制御装置の出力を制御することによって、前記燃料電池システムを通る前記酸化剤の前記質量流量を制御するように構成されてなる、請求項１８に記載の燃料電池システム。
  20. 前記カソードエゼクタの前記動力流体入口と流体連通する低温側と、及び前記燃焼器の前記燃焼副生成物出口と流体連通する高温側とを有する熱交換器をさらに備えてなり、前記第２温度センサが、前記燃焼器の前記燃焼副生成物出口の下流側及び前記熱交換器の上流側で前記第２温度を検知するように構成されてなる、請求項１０に記載の燃料電池システム。
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