JP3923261B2 - 燃料電池の停止を制御する方法及びシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、より詳しくは、電力を生成するためＨ2の豊富なガスを消費する複数の燃料電池を有するシステムに関する。
【０００２】
アメリカ合衆国政府は、米国エネルギー省により授与された契約番号ＤＥ−ＡＣ０２−９０ＣＨ１０４３５に従って本発明に関する権利を有する。
【０００３】
【従来技術】
燃料電池は、多数の用途で電力源として使用されてきた。例えば、燃料電池は内燃機関に取って代わるため電気自動車の電力設備で使用するため提案されてきた。陽子交換膜（ＰＥＭ）型式の燃料電池では、水素が燃料電池のアノードに供給され、空気が酸化剤としてカソードに供給される。ＰＥＭ燃料電池は、薄い陽子透過性で非導電性の固体ポリマー膜電解質からなる「膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）」を備え、固体ポリマー膜電解質は、その一方の面にアノード触媒、反対側の面にカソード触媒を有している。ＭＥＡは、一対の導電性エレメントの間に挟まれ、該一対の導電性エレメントは、（１）アノード及びカソード用の電流コレクターとして役立ち、（２）各々のアノード及びカソードの触媒の表面に亘る燃料電池ガス状反応物の分配のための適切なチャンネル及び／又は開口を含む。「燃料電池」という用語は、典型的には、文脈に応じて単一電池及び複数の電池（スタック）のいずれかに言及するため使用される。複数の個々の電池は、一般には、燃料電池スタックを形成するため一緒に束ねられ、一般に、直列に配列されている。スタック内部の各々の電池は、前述した膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含み、そのような膜電極アセンブリの各々は、その電圧の増分を提供する。スタック内部で隣接する電池のグループは、クラスターと称される。スタック内における多数の電池の典型的な配列は、ゼネラル・モーターズ・コーポレーションに譲渡された、米国特許番号５，７６３，１１３号で説明されている。
【０００４】
ＰＥＭ燃料電池では、水素（Ｈ2）がアノード反応物（即ち燃料）であり、酸素がカソード反応物（即ち酸化剤）である。酸素は、純粋形態（Ｏ2）及び空気（Ｏ2とＮ2の混合物、本明細書を通して「空気」という用語はＯ2及び他のガスと混合されたＯ2の両方に言及するため使用される）のいずれでもよい。固体ポリマー電解質は、典型的には例えばフッ化硫酸などのイオン交換樹脂から作られる。アノード又はカソードは、典型的には細かく分割された触媒粒子を含み、これらの粒子は、しばしば炭素粒子に担持され、陽子伝達性樹脂で混合される。触媒粒子は、典型的には、高価な貴金属粒子である。これらの膜電極アセンブリは、製造する上で比較的高価であり、効率的な作動のため、適切な水管理、加湿及び一酸化炭素（ＣＯ）などの触媒汚染要素の制御を含む幾つかの条件を必要とする。
【０００５】
車両の用途に対しては、燃料電池用の水素源として例えばアルコール（例えばメタノール又はエタノール）或いは炭化水素（例えばガソリン）などの液体燃料を使用するのが望ましい。車両用のそのような液体燃料は、車内に蓄えるのが容易であり、液体燃料を供給するための全国的なインフラストラクチャーが存在する。しかしながら、そのような燃料は、燃料電池に燃料供給するためには、その水素含有成分を解放するように解離されなければならない。解離反応は、化学燃料プロセッサ即ち改質器内部で達成される。燃料プロセッサは、１つ又は複数の反応器を含み、該反応器では、燃料は、主要には水素及び二酸化炭素を含む改質ガスを与えるため、蒸気及び時として空気と反応する。例えば、蒸気メタノール改質プロセスでは、理想的には、メタノール及び（蒸気としての）水が水素及び二酸化炭素を生成するように反応される。実際には、一酸化炭素及び水も生成される。ガソリンの改質プロセスでは、蒸気、空気及びガソリンが、２つの区画を含む燃料プロセッサ内で反応される。そのうちの１つは、主として部分酸化反応器（ＰＯＸ）であり、他方は、主として蒸気改質器（ＳＲ）である。燃料プロセッサは、水素、二酸化炭素、一酸化炭素及び水を生成する。下流の反応器は、水／ガスシフト反応器（ＷＧＳ）及び優先酸化反応器（ＰＲＯＸ）などを含み得る。優先酸化反応器では、二酸化炭素（ＣＯ2）が、空気から得られる酸素を酸化剤として使用して、一酸化炭素（ＣＯ）から生成される。ここで、空気供給の制御は、ＣＯをＣＯ2に選択的に酸化させるために重要である。
【０００６】
ＰＥＭ燃料電池によって消費するための水素の豊富な改質物を生成するため炭化水素燃料を処理する燃料電池システムが知られている。このシステムは、本発明の代理人であるゼネラル・モーターズ・コーポレーションに各々譲渡されている、１９９７年１１月に出願された現在係属中の米国特許出願シリアル番号０８／９７５，４４２号及び０８／９８０，０８７号、並びに、１９９８年１１月に出願された米国特許シリアル番号０９／１８７，１２５号で説明されており、更に、１９９８年３月５日に公開された、国際特許出願番号ＷＯ９８／０８７７１号で説明されている。典型的なＰＥＭ燃料電池及びその膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、各々１９９３年１２月２１日に登録された米国特許５，２７２，０１７号及び１９９４年５月３１日に登録された米国特許５，３１６，８７１号で説明されている。それらの特許はゼネラル・モーターズ・コーポレーションに譲渡されている。
【０００７】
燃料電池システムの効率的な作動は、システムの停止、特に急速停止モードにおける作動を効率的に制御する能力に依存する。この点に関する１つの特に重要なシステム構成要素は、燃料電池システムに空気／Ｏ2を配給する空気コンプレッサである。典型的には、コンプレッサは約２００℃の出口温度で作動する。この典型的な出口温度は、コンプレッサの性能を低下させるであろう温度、即ち、約２１０℃の温度にきわめて近い。コンプレッサの超過温度／超過圧力状態は、コンプレッサ並びに敏感な下流システム構成要素の性能を低下させ得る。しかし、空気コンプレッサを止めることは超過温度／超過圧力状態の望ましくない効果を軽減させる一方で、システムへの空気の欠如は、燃料電池、燃焼器及び改質器／燃料プロセッサを含む、停止の間に空気流れに頼る全ての他のシステム構成要素の性能を低下させ得る。例えば、燃焼器への空気流れは、燃焼器が残余のガスを燃焼し尽くすときの過熱を防止するため停止の間に維持されなければならない。
【０００８】
従って、燃料電池システムの急速停止の間に、他のシステム構成要素から必要な空気を奪い取ること無く、コンプレッサの超過温度／超過圧力状態による該システムへの望ましくない効果を軽減させることを可能とする、方法及びシステムを提供することが望ましい。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その一態様において、システムを通して空気の流れを維持しつつ、特に急速システム停止の間に、燃料電池システムの超過圧力を軽減するための排気方法及びシステムを提供する。更なる態様では、進歩的な方法を実行するための好ましい排気及び制御構成が提供される。
【００１０】
１つの構成では、燃料電池システムが提供され、このシステムは、空気を該システムに提供するための出口を有する空気コンプレッサと、改質物を生成するため燃料を改質することができる燃料プロセッサと、燃焼排気物を燃料プロセッサに提供するように作動する燃焼器と、燃料プロセッサが改質している場合において、該燃焼器から排気された燃焼排気物がシステムから排気されるように選択的に作動可能である、少なくとも１つのバルブと、を含む。本発明は、更に、燃料プロセッサが改質しておらず且つ空気コンプレッサの少なくとも１つのパラメータが少なくとも１つの所定値を超えるように該空気コンプレッサが作動するとき、上記少なくとも１つのバルブを介して燃焼排気物を選択的に排気する工程を含む。
【００１１】
本方法の一特徴によれば、燃料プロセッサの作動状態（即ち、それが、例えばＨ2ガスなどの改質物を生成するため作動しているか否か）が決定され、空気コンプレッサの少なくとも１つの作動パラメータの状態が決定され、燃料プロセッサが改質しておらず、且つ、空気コンプレッサの少なくとも１つの作動パラメータが少なくとも１つの所定値を超えていると決定された場合、上記少なくとも１つのバルブを介して燃焼器の排気物が選択的に排気される。
【００１２】
上記構成の特徴において、空気コンプレッサの少なくとも１つのパラメータ（又は少なくとも１つの作動パラメータ）には、コンプレッサ出口近傍の温度及び圧力の少なくとも１つが含まれている。即ち、上記特徴によれば、空気コンプレッサの出口近傍における温度及び圧力の少なくとも１つが少なくとも１つの所定値を超えている場合、燃焼器の排気物が選択的に排気される。
【００１３】
別の進歩的な特徴によれば、燃焼器の排気物を選択的に排気する工程は、所定の時間期間に亘って少なくとも１つのバルブを開放する工程を含む。この所定の時間期間は、本発明の一特徴によれば、約１分間である。
【００１４】
本発明に係る方法は、燃料プロセッサの過熱状態に応答して燃焼器の排気物を排気するため、システムの流れ経路、例えば燃焼器と改質器との間に設けられた少なくとも１つの排気バルブによって実行される。このシステムに適合された制御ロジックは、本発明に係る方法に従って、改質器及び空気コンプレッサの作動状態を反映する１つ又はそれ以上のパラメータを決定し、改質器が改質していない場合でさえ、コンプレッサ出口の近傍における空気の所望の温度及び圧力の状態のうち少なくとも１つを含む空気コンプレッサの少なくとも１つの作動パラメータが少なくとも１つの所定値を超えて作動している（即ち、超過温度／超過圧力状態）と決定されたとき、少なくとも１つの排気バルブを開放するように指令する。排気バルブ制御は、任意の適切なマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、コンピュータなどを含む専用のコントローラによりなすことができる。このコントローラは、制御プログラム及びメモリに蓄えられたデータを実行することが可能な中央処理ユニット、又は、他の適切な手段を有する。
【００１５】
本発明の様々な特徴、利点及び他の使用方法は、次の説明及び添付した図面を参照することによってより明らかとなろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
制御された停止の間に燃料電池システムを排気するための本発明に係る方法及び装置は、改質器／燃料プロセッサが改質物を生成するため作動していないとき超過温度／超過圧力の空気コンプレッサにより停止が必要とされた、当該システムの状態に応答して燃焼器の排気ガスを選択的に排気するプロセスを提供する。
【００１７】
本発明は、車両推進用の電力を生成するため使用される燃料電池システムに対して特に有用である。このことは、図１に一例としてのみ示された燃料電池システムを参照して更に理解することができる。従って、本発明を更に説明する前に、本発明に係る停止排気方法をその内部で用いることができるシステムの型式を理解し、更にはそのようなシステムにおける排気バルブの位置及び相互作用を示すことが有用である。
【００１８】
図１は、燃料電池システムの一例を示している。このシステムは、車両推進用のエネルギー源として車両（図示せず）で使用することができる。本システムでは、炭化水素は、例えば、体積又はモル単位で比較的高い水素含有量を有する改質ガスを生成するため改質及び優先酸化プロセスによって燃料プロセッサ内で処理される。従って、水素の豊富な、比較的高い水素含有量の改質物即ち供給流れが基準とされる。
【００１９】
以下、本発明は、改質物が作られる方法に係りなく、Ｈ2の豊富な当該改質物により燃料供給される燃料電池の文脈で説明される。本文中で具体化された原理は、改質可能な炭化水素及び水素含有燃料、例えばメタノール、エタノール、ガソリン、アルケン、又は、他の脂肪族若しくは芳香族の炭化水素などを含む任意の源から得られるＨ2により燃料供給される燃料電池に適用可能であることが理解されるべきである。
【００２０】
図１に示すように、燃料電池装置は、改質可能な炭化水素の燃料の流れ６と、水の流れ８からの蒸気の形態にある水とを触媒的に反応させるための燃料プロセッサ２を備えている。幾つかの燃料プロセッサでは、空気は、優先酸化／蒸気改質反応の組み合わせにおいても使用される。この場合には、燃料プロセッサ２は、空気の流れ９も受け入れる。燃料プロセッサは、１つ又はそれ以上の反応器１２を含み、該反応器では、流れ６内の改質可能な炭化水素燃料が、水素の豊富な改質物を生成するため、水／流れ８及び時として（流れ９内の）空気の存在下で解離を経験する。更には、各々の反応器１２は、１つ又はそれ以上の反応器ベッドを持ち得る。反応器１２は、１つ又はそれ以上の区分即ちベッドを持ち、様々な設計が知られ且つ利用可能である。従って、反応器１２の選択及び配置は、変更することができる。以下、例として掲げた燃料改質反応器１４及び下流側の反応器１６を説明する。
【００２１】
例示によれば、一例としての蒸気／メタノール改質プロセスでは、メタノール及び（蒸気としての）水は、従来技術の欄で前述したように、水素及び二酸化炭素を生成するため、反応器１４内で理想的に反応される。実際には、一酸化炭素及び水も生成される。更なる例によれば、一例としてのガソリン改質プロセスにおいて、蒸気、空気及びガソリンが２つの区分を有する反応器１４を含む燃料プロセッサ内で反応される。反応器１４の一方の区分は、主要には、部分酸化反応器（ＰＯＸ）であり、当該反応器の他方の区分は、主要には、蒸気改質器（ＳＲ）である。メタノール改質の場合のように、ガソリン改質は、所望の水素を生成するが、加えて、二酸化炭素、水及び一酸化炭素を生成する。従って、各々の型式の改質の後、生成物の流れの一酸化炭素含有量を減少させることが望ましい。
【００２２】
従って、燃料プロセッサ２は、例えば水／ガスシフト（ＷＧＳ）反応器及び優先酸化反応器（ＰＲＯＸ）などの１つ又はそれ以上の下流反応器１６も典型的に備えており、これらは、従来技術の欄で前述したように、一酸化炭素から二酸化炭素への生成に使用される。好ましくは、水素、二酸化炭素及び水を含む最初の改質ガスの流れは、許容可能なレベル、例えば２０ｐｐｍ以下にＣＯレベルを減少させるため、優先酸化（ＰＲＯＸ）反応器１６で更に処理される。次に、駆動モードの間、Ｈ2の豊富な改質物２０は、バルブ３１を通して燃料電池２２のアノードチャンバーに供給される。これと同時に、酸化剤の流れ２４からの酸素（例えば空気）は、燃料電池２２のカソードチャンバーに供給される。改質物の流れ２０からの水素及び酸化剤の流れ２４からの酸素は、電気を生成するため燃料電池２２内で反応する。
【００２３】
燃料電池２２のアノード側からの排出物即ち流出物２６は、未反応の水素を幾らか含む。燃料電池２２のカソード側からの排出物即ち流出物２８は未反応の酸素を幾らか含む。酸化剤の流れ２４用の空気は、空気供給源、好ましくは、コンプレッサ３０により供給される。空気供給源（コンプレッサ３０）からの空気は、通常の作動条件下ではバルブ３２によって燃料電池２２に向けられる。しかしながら、始動の間では、バルブ３２は、燃焼器３４の入力通路に直接空気を提供するために付勢される。空気は、ライン４６を介して供給された燃料と反応するため、燃焼器３４で使用される。燃焼器の熱は、燃料プロセッサ２の様々な部分を加熱するため使用される。
【００２４】
燃料プロセッサ２内で発生する反応の幾つかは、吸熱性であり、その結果、熱を必要とし、他の反応は発熱性であり、熱の除去を必要とすることに着目されたい。典型的には、ＰＲＯＸ反応器１６は、熱の除去を必要とする。反応器１４内の改質反応の１つ又はそれ以上は、典型的には、吸熱性であり、熱が追加されることを必要とする。これは、典型的には、反応物、燃料６、流れ８及び空気９を予め加熱することによって、及び／又は選択された反応物を加熱することによって達成される。
【００２５】
燃焼器３４からの熱は、始動の間、燃料プロセッサ２内の選択された反応器及び反応器ベッドを加熱する。燃焼器３４は、必要に応じて、間接的な熱輸送によって、選択された構成部品、燃料プロセッサ２内の反応器及びベッドの加熱を達成する。典型的には、そのような間接的に加熱される反応器は、入口及び出口を備えた反応チャンバーである。反応チャンバーの内部では、これらのベッドは、キャリア部材基体の形態にあり、各々は、所望の化学反応を達成するための触媒的な活性材料を担持する第１の表面を有する。第１の表面と反対側にある第２の表面は、熱いガスからキャリア部材基体への熱輸送のため形成されている。更に加えて、燃焼器３４は、燃料プロセッサ２への反応物質として供給される、燃料６、水８及び空気９を予備加熱するため使用可能である。
【００２６】
燃料プロセッサ２に供給される空気９は、１つ又はそれ以上の反応器１２において使用され得ることに着目されたい。反応器１４がガソリン改質反応器である場合、ライン９からの空気は反応器１４に供給される。ＰＲＯＸ反応器１６もＣＯをＣＯ2に酸化させるため空気を利用し、ライン９を介して空気供給源（コンプレッサ３０）から空気を受け取る。
【００２７】
燃焼器３４は、入口端部４２、排出端部４４及び両端部の間の触媒区分４８を備えるチャンバー４１を画成する。炭化水素燃料は、燃焼器の中に注入される。炭化水素燃料は、液体形態にある場合、燃焼器へ注入される前、又は、燃焼器の一区分に注入される前のいずれかで蒸発されて燃焼用の燃料として分散させるのが好ましい。蒸発は、電気ヒーターによりなされ得る。一旦、システムが作動し、燃焼器が加熱された場合、蒸発は、入ってくる燃料を蒸発させるため燃焼器の排出物からの熱を使用して熱交換により発生させることができる。好ましくは、燃料計量装置４３は、炭化水素の燃料が燃焼器に提供される率を制御するため提供される。
【００２８】
炭化水素燃料４６及びアノード流出物２６は、燃焼器３４の触媒区分４８内で反応され、この区分は、燃焼器３４の入口端部４２及び出口端部４４の間に存在する。酸素は、バルブ３２を介して空気供給源（即ち、コンプレッサ３０）、又は、例えばカソード流出物の流れ２８などの第２の空気の流れのいずれかから、システム作動状態に応じて、燃焼器３４に提供される。バルブ５０は、燃焼器の排出物３６が燃料プロセッサ２内の反応物を加熱するため必要とされないとき、それを大気に捨て去ることを可能にする。
【００２９】
理解できるように、炭化水素の燃料の流れ４６は、燃料電池装置の遷移状態及び定常状態の必要性に合致させるため、必要とされるとき、燃焼器３４のための燃料であるアノード流出物２６を増補する。幾つかの状況では、排気ガスは、大気に解放される前に、レギュレータ３８、停止バルブ１４０及びマフラー１４２を通過する。図１のシンボルは、以下の通りである。「Ｖ」はバルブ、「ＭＦＭ」は流量計、「Ｔ」は温度モニター、「Ｒ」はレギュレータ、「Ｃ」は燃料電池のカソード側、「Ａ」は燃料電池のアノード側、「ＩＮＪ」はインジェクタ及び「ＣＯＭＰ」はコンプレッサである。
【００３０】
燃料プロセッサ２内の選択された反応器により要求される熱量は、燃焼器３４により供給されるべきであり、燃料の量、水入力及び究極的には燃料プロセッサ２内の所望の反応温度に依存する。前述したように、ライン９を通過する空気も燃料プロセッサで使用されることがあり、燃料及び水の導入と共に考慮されなければならない。燃料プロセッサ２の熱要求量を供給するため、燃焼器３４は全てのアノード排気物即ち流出物及び可能ならば幾らかの液体燃料を利用する。エンタルピーの方程式が、燃焼器３４の所望の熱必要量に合致させるように燃焼器３４に供給されるべきカソード排気物即ち空気の量を決定するために使用され、究極的には燃料プロセッサ２の要求を満足させる。燃焼器３４に提供される酸素又は空気は、典型的に燃料電池２２のカソードに供給される全酸素のうちある割合であるカソード流出排気物２８、及び、コンプレッサ３０からの空気流れのうち１方又は両方を備えている。これは、当該装置がコンプレッサ空気流れが排他的に用いられる始動モードで作動しているか或いはカソード流出物２８及び／又はコンプレッサ空気を使用した駆動モードのいずれかで作動しているかに応じて定まる。駆動モードでは、カソード流出物２８によっては合致されない燃焼器３４により必要とされる空気全体、酸素、希釈剤は、燃焼器３４及び燃料プロセッサ２により各々要求される熱及び温度を満足させるためのある一定量が、コンプレッサ３０によって供給される。空気の制御は、空気希釈バルブ４７を介して実行される。このバルブは、燃焼器３４に供給されるカソード排出物２８の抜き取り量を制御するため可変のオリフィスを有する、ステッパーモータ駆動型のバルブである。
【００３１】
燃料電池装置の上記例では、その作動は、次の通りとなる。燃料電池装置が低温で始動するときの作動の開始時において、（１）システムに必要となる空気を提供するためコンプレッサ３０が外部電源（例えばバッテリー）から付勢される電気モータによって駆動される。（２）空気が燃焼器３４に導入される。炭化水素燃料４６（例えばＭｅＯＨ又はガソリン）が燃焼器３４に注入される。（３）空気及び燃料が、燃焼器３４内で反応し、そこで、ほぼ完全な燃料の燃焼がもたらされる。（４）燃焼器３４から出た高温排気ガスは、燃料プロセッサ２と連係した選択された反応器１２に輸送される。
【００３２】
一旦、燃料プロセッサ２内の反応器が適切な温度を達成した場合、改質プロセスが開始する。このプロセスは次の工程を含む。（１）バルブ３２が、空気を燃料電池２２のカソード側に差し向けるため作動される。（２）燃料及び水が、改質反応を開始するため燃料プロセッサ２に供給される。（３）燃料プロセッサ２から出た改質物が燃料電池２２のアノード側に供給される。（４）燃料電池２２からのアノード流出物２６が燃焼器３４に向けられる。（５）燃料電池２２からのカソード流出物２８が燃焼器３４に向けられる。（６）燃料、空気、カソード流出物２８及びアノード流出物２６が燃焼器３４内で燃焼される。好ましいシーケンスでは、工程（２）は、燃焼器に直接空気を供給すると共に、最初に実行される。次に、水素の豊富な流れが適切に低いＣＯレベルを有するとき、工程（１）及び（３）が実行され、引き続いて工程（４）、（５）及び（６）が実行される。
【００３３】
幾つかの条件の下では、燃焼器３４は、追加の炭化水素燃料４６の必要無しに、アノード及びカソード流出物単独で作動することができる。そのような条件の下では、燃焼器３４への燃料の注入は中断される。他の条件、例えば電力の要求を増加させる条件の下では、アノード流出物２６（Ａｏｕｔ）を増補するため増補の燃料４６が燃焼器３４に提供される。燃焼器３４は、例えば、炭化水素燃料、並びに、燃料電池２２のアノードからのアノード流出物２６などの多数の燃料を受け取る。燃料電池２２のカソードからの酸素を使い果たした排出空気２８及びコンプレッサ３０からの空気も、燃焼器３４に供給される。
【００３４】
本燃料電池システムの一例によれば、図１に示されたコントローラ１５０は、図１に示されたシステムの様々な態様の作動を制御する。コントローラ１５０は、任意の適切なマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、パーソナルコンピュータなどから構成することができ、これは制御プログラム及びメモリ中に格納されたデータを実行することが可能な中央処理ユニットを有する。コントローラ１５０は、図１の任意の構成要素に特化した専用コントローラであってもよく、或いは、主要な車両用電子制御モジュールに格納されたソフトウェアで実行されてもよい。更に、ソフトウェアベースの制御プログラムが上述したように様々な作動モードにおけるシステム構成要素を制御するため利用可能であるが、このような制御は専用の電子回路によって部分的又は全て実行されてもよいことが理解されよう。
【００３５】
好ましい実施形態では、燃料電池システムは、車両推進システム６０（図２を見よ）の一部分として燃料電池２２を含む。ここでは、システム６０の一部分は、バッテリー６２、電気モータ６４、及び、駆動用電子機器を含む。この駆動用電子機器はインバータ６５を含み、燃料電池システム、特に燃料電池２２と連係された直流から直流への（ＤＣ／ＤＣ）コンバータ６１から電気エネルギーを受け取り、それをモータ６４により生成される機械的エネルギーに変換するように構成及び配置されている。バッテリー６２は、燃料電池２２により供給された電気エネルギーを受け取ってこれを蓄え、再生成の空白期間の間にモータ６４により供給された電気エネルギーを受け取ってこれを蓄え、及び該電気エネルギーをモータ６４に提供するため構成及び配置されている。モータ６４は、車両（図示せず）の車輪を回転させるため駆動車軸６６に連結されている。電気化学的エンジン制御モジュール（ＥＥＣＭ）７０及びバッテリーパックモジュール（ＢＰＭ）７１は、例えばスタックの電圧及び電流を含む様々な作動パラメータを監視するが、これらのパラメータに限定されるものではない。このことは、例えば、バッテリーパックモジュール（ＢＰＭ）７１によって又はＢＰＭ７１及びＥＥＣＭ７０の両方によって、ＢＭＰ７１により監視される状態に基づいて車両コントローラ７４に出力信号（メッセージ）を送るため、なされる。車両コントローラ７４は、電気モータ６４、インバータ６５を含む駆動用電子機器、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１を制御し、ＥＥＣＭ７０からの電気パワーレベルを要求する。
【００３６】
コントローラ１５０は、ＢＰＭ７１及び／又はＥＥＣＭ７０のこれに限定されない例によって具現化され得るが、圧力、温度、始動時間、サイクル等に関する燃料電池システムの作動を監視し、システム状態の情報に応答してバルブ作動を指令し、システムの選択された状態に応答して決められたように停止コマンドを生成出力する。
【００３７】
ヒートダンプバルブ５０は、指令されたとき、図１に示されたように、通常のシステム作動の間に、レギュレータ３８をバイパスして、燃焼排気物３６を分岐させることによって、燃料プロセッサ２を冷ますために役立つ。このバイパスは、コントローラ１５０により調整され、該コントローラは温度モニター８２を介して燃料プロセッサ２の温度を監視し、燃料プロセッサ２の超過温度状態に応答してヒートダンプバルブ５０を開放するように指令する。
【００３８】
急速停止の間、ヒートダンプバルブ５０は、燃料プロセッサ２が、所望の温度外、例えば約２６０℃以上で作動する場合に、燃焼器の排気物を大気中に排気するため開放されるように指令される。約１分後、燃料プロセッサ２は、ヒートダンプバルブ５０が閉鎖されるほど十分に冷却された。レギュレータバルブ３８が閉位置で急速システム停止を引き起こすことができなかった場合、本方法によるヒートダンプバルブ５０の開放は、システムの超過圧力を効果的に軽減する。ヒートダンプバルブ５０は、図１に示すようにレギュレータ３８をバイパスするからである。
【００３９】
しかしながら、システム始動の間、燃焼器３４が水素で駆動していないときは、燃料プロセッサ２は改質温度を達成せず、まだ改質していない。この状態での停止の場合、燃料プロセッサ２は作動温度に達していないので、ヒートダンプバルブ５０は、燃料プロセッサ超過温度に応答して開放しないであろう。急速停止の間に、下流の構成要素から必要とされる空気を奪い取ることなく、例えば始動時のレギュレータ３８の失敗により引き起こされたシステムの超過圧力状態を軽減するため、本発明に係る方法によれば、空気コンプレッサ３０が例えば超過温度状態など１つ又はそれ以上の所定のパラメータの範囲外で作動していると決定された場合、ヒートダンプバルブ５０は、レギュレータ３８をバイパスするように指令される。
【００４０】
本発明の進歩的方法は、図３の流れ図に示されている。急速停止手続きの始動（ステップ９０）の間、図３のロジックは、燃料プロセッサが始動した（例えば、改質温度に達した）か否かを決定するためシステム状態の情報を決定する（ステップ９１）。燃料プロセッサが始動した場合、ヒートダンプバルブが、燃料プロセッサの超過温度状態に応答して必要時に開放される（ステップ９２）。この排気応答は、システムの超過圧力状態をその原因に係り無く効果的に軽減させる。燃料プロセッサが、始動状態即ちヒートダンプバルブが燃料プロセッサの超過温度状態によっては開放されないであろう状態にあると決定された場合、本ロジックは、コンプレッサ出口で少なくとも１つの空気コンプレッサ作動パラメータを決定する（ステップ９３）。空気コンプレッサが該作動パラメータの所望値の範囲内、例えば所定の最大出力温度で作動している場合、ヒートダンプバルブが閉じた状態にされ（ステップ９４）、燃焼器への燃料供給の迅速な停止、又は、他の停止手続きが、改質器の作動前にコントローラにより実行され得る。コンプレッサが少なくとも１つの作動パラメータの所望値の範囲外で作動している場合、本アルゴリズムのロジックは、ヒートダンプバルブが開放するように指令する（ステップ９２）。その結果、燃焼器の排気物は、レギュレータをバイパスしてシステムから排気され、システムの超過圧力／超過温度を軽減する。
【００４１】
コンプレッサの出口状態に応答して排気する間に、ヒートダンプバルブは、好ましくは、システムパラメータを許容可能なレベルに戻すため必要となる少なくとも最小期間の間、開位置に維持される。図示の例のシステムでは、この期間は約１分間である。この期間は、予め決定され、コントローラ内でプログラムされているか、或いは、コンプレッサ出口若しくは燃料電池システムの他の箇所の近傍に設けられたセンサー手段からフィードバック制御を受けてもよい。
【００４２】
本発明に係る排気制御は、適切な監視手段を備えた、ハードウェア又はソフトウェアのいずれかで実行されることができる。好ましくは、当該制御は、コントローラ１５０の制御プログラムの一部分としてソフトウェアで実行される。コントローラは、図３を参照して説明された態様で、ヒートダンプバルブ５０の作動を指令する適切なコマンド信号を生成する。好ましくは、コンプレッサパラメータ情報は、アルゴリズムロジックに設けられた、温度情報、最も好ましくは温度及び圧力情報からなる。図示の実施形態では、圧力センサー８０及び温度センサー８１の両方が、コンプレッサ出口に又はその近傍に設けられるのが好ましく、これらのセンサーはコントローラ１５０に作動的に連係される。コントローラ１５０は、検出された値と比較するため空気コンプレッサの所望の作動パラメータを表す値を用いてプログラムされ、これによって本発明に係る進歩的な方法を容易に実現できる。燃料プロセッサ２の作動状態を表す情報は、例によれば、温度センサー８２を介して本ロジックに提供され、コントローラ１５０は、燃料プロセッサ始動状態を反映させるように、改質温度に対応する所定の温度値を用いてプログラムされている。
【００４３】
指令されたとき、コントローラ１５０は、本発明に係る方法に従って、システム始動時の停止に応答して所定の時間期間の間、ヒートダンプバルブ５０を開放するようにプログラムされてもよい。この値は、約１分間の排気処理を表すように選択され、該期間は図示された燃料電池システムの超過圧力状態を軽減する上で十分である。勿論、この排気期間は、必要に応じて、及び、本方法が用いられるシステムの設計に応じて変更できる。その代わりに、コントローラ１５０は、システム状態が所望の作動パラメータ内にあることを反映する、圧力センサー８０及び温度センサ−８１のいずれか又は両方からの情報に応答して、ヒートダンプバルブ５０の閉鎖コマンド信号を生成してもよい。
【００４４】
前述した方法及び排気バルブ制御構成は、燃焼器の排気物の排気停止を提供する一方で、特に空気コンプレッサを排気するための燃料電池システムに追加の構成要素を追加する必要無しで済み、かくして、燃料プロセッサが始動状態にあるときでさえ、持続されたコンプレッサの作動を可能にすると共にシステムの超過圧力を軽減するということが理解されよう。
【００４５】
本発明に係る方法及び装置の前述した例から、特別の方法及びバルブ構成が、一例としての燃料電池システムに対して示されたということが理解されよう。特有のバルブ構成、バルブの位置、使用されるバルブ及び排気の型式、バルブの相対速度及び互いに対するそれらの閉止機能は、本発明が適用されるところの燃料電池装置に応じて変わり得る。そのような変更及び修正は、上記実施形態に開示された発明に基づいて過度の実験無しに当業者によりなすことができる。前述した説明のいずれも請求の範囲を超えて本発明を画定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る制御された停止方法および装置を組み込んだ燃料電池システムを示す図である。
【図２】図２は、利用用途の手段に接続された、図１の燃料電池装置の図である。
【図３】図３は、本発明の排気方法の流れ図である。
【符号の説明】
２ 燃料プロセッサ
６ 燃料の流れ
８ Ｈ2Ｏの流れ
９ 空気の流れ
１２、１４ 燃料改質反応器
１６ シフト反応器、優先酸化反応器
２０ Ｈ2の豊富な改質物
２２ 燃料電池
２４ 酸化剤（空気；酸素）の流れ
２６ アノード流出物
２８ カソード流出物
３０ コンプレッサ
３１ バルブ
３２ バルブ
３４ 燃焼器
３６ 燃焼器の排出物
３８ レギュレータ
４１ チャンバー
４２ 入口端部
４３ インジェクタ（燃料計量装置）
４４ 出口端部
４６ 炭化水素燃料
４７ 空気希釈バルブ
４８ 触媒区分
５０ バルブ
６０ 車両推進システム
６１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
６２ バッテリー
６４ モータ
６５ インバータ
６６ 駆動車軸
７０ 電気化学的エンジン制御モジュール
７１ バッテリーパックモジュール
７４ 車両コントローラ
１４０ 停止バルブ
１４２ マフラー
１５０ コントローラ
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、より詳しくは、電力を生成するためＨ2の豊富なガスを消費する複数の燃料電池を有するシステムに関する。
【０００２】
アメリカ合衆国政府は、米国エネルギー省により授与された契約番号ＤＥ−ＡＣ０２−９０ＣＨ１０４３５に従って本発明に関する権利を有する。
【０００３】
【従来技術】
燃料電池は、多数の用途で電力源として使用されてきた。例えば、燃料電池は内燃機関に取って代わるため電気自動車の電力設備で使用するため提案されてきた。陽子交換膜（ＰＥＭ）型式の燃料電池では、水素が燃料電池のアノードに供給され、空気が酸化剤としてカソードに供給される。ＰＥＭ燃料電池は、薄い陽子透過性で非導電性の固体ポリマー膜電解質からなる「膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）」を備え、固体ポリマー膜電解質は、その一方の面にアノード触媒、反対側の面にカソード触媒を有している。ＭＥＡは、一対の導電性エレメントの間に挟まれ、該一対の導電性エレメントは、（１）アノード及びカソード用の電流コレクターとして役立ち、（２）各々のアノード及びカソードの触媒の表面に亘る燃料電池ガス状反応物の分配のための適切なチャンネル及び／又は開口を含む。「燃料電池」という用語は、典型的には、文脈に応じて単一電池及び複数の電池（スタック）のいずれかに言及するため使用される。複数の個々の電池は、一般には、燃料電池スタックを形成するため一緒に束ねられ、一般に、直列に配列されている。スタック内部の各々の電池は、前述した膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含み、そのような膜電極アセンブリの各々は、その電圧の増分を提供する。スタック内部で隣接する電池のグループは、クラスターと称される。スタック内における多数の電池の典型的な配列は、ゼネラル・モーターズ・コーポレーションに譲渡された、米国特許番号５，７６３，１１３号で説明されている。
【０００４】
ＰＥＭ燃料電池では、水素（Ｈ2）がアノード反応物（即ち燃料）であり、酸素がカソード反応物（即ち酸化剤）である。酸素は、純粋形態（Ｏ2）及び空気（Ｏ2とＮ2の混合物、本明細書を通して「空気」という用語はＯ2及び他のガスと混合されたＯ2の両方に言及するため使用される）のいずれでもよい。固体ポリマー電解質は、典型的には例えばフッ化硫酸などのイオン交換樹脂から作られる。アノード又はカソードは、典型的には細かく分割された触媒粒子を含み、これらの粒子は、しばしば炭素粒子に担持され、陽子伝達性樹脂で混合される。触媒粒子は、典型的には、高価な貴金属粒子である。これらの膜電極アセンブリは、製造する上で比較的高価であり、効率的な作動のため、適切な水管理、加湿及び一酸化炭素（ＣＯ）などの触媒汚染要素の制御を含む幾つかの条件を必要とする。
【０００５】
車両の用途に対しては、燃料電池用の水素源として例えばアルコール（例えばメタノール又はエタノール）或いは炭化水素（例えばガソリン）などの液体燃料を使用するのが望ましい。車両用のそのような液体燃料は、車内に蓄えるのが容易であり、液体燃料を供給するための全国的なインフラストラクチャーが存在する。しかしながら、そのような燃料は、燃料電池に燃料供給するためには、その水素含有成分を解放するように解離されなければならない。解離反応は、化学燃料プロセッサ即ち改質器内部で達成される。燃料プロセッサは、１つ又は複数の反応器を含み、該反応器では、燃料は、主要には水素及び二酸化炭素を含む改質ガスを与えるため、蒸気及び時として空気と反応する。例えば、蒸気メタノール改質プロセスでは、理想的には、メタノール及び（蒸気としての）水が水素及び二酸化炭素を生成するように反応される。実際には、一酸化炭素及び水も生成される。ガソリンの改質プロセスでは、蒸気、空気及びガソリンが、２つの区画を含む燃料プロセッサ内で反応される。そのうちの１つは、主として部分酸化反応器（ＰＯＸ）であり、他方は、主として蒸気改質器（ＳＲ）である。燃料プロセッサは、水素、二酸化炭素、一酸化炭素及び水を生成する。下流の反応器は、水／ガスシフト反応器（ＷＧＳ）及び優先酸化反応器（ＰＲＯＸ）などを含み得る。優先酸化反応器では、二酸化炭素（ＣＯ2）が、空気から得られる酸素を酸化剤として使用して、一酸化炭素（ＣＯ）から生成される。ここで、空気供給の制御は、ＣＯをＣＯ2に選択的に酸化させるために重要である。
【０００６】
ＰＥＭ燃料電池によって消費するための水素の豊富な改質物を生成するため炭化水素燃料を処理する燃料電池システムが知られている。このシステムは、本発明の代理人であるゼネラル・モーターズ・コーポレーションに各々譲渡されている、１９９７年１１月に出願された現在係属中の米国特許出願シリアル番号０８／９７５，４４２号及び０８／９８０，０８７号、並びに、１９９８年１１月に出願された米国特許シリアル番号０９／１８７，１２５号で説明されており、更に、１９９８年３月５日に公開された、国際特許出願番号ＷＯ９８／０８７７１号で説明されている。典型的なＰＥＭ燃料電池及びその膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、各々１９９３年１２月２１日に登録された米国特許５，２７２，０１７号及び１９９４年５月３１日に登録された米国特許５，３１６，８７１号で説明されている。それらの特許はゼネラル・モーターズ・コーポレーションに譲渡されている。
【０００７】
燃料電池システムの効率的な作動は、システムの停止、特に急速停止モードにおける作動を効率的に制御する能力に依存する。この点に関する１つの特に重要なシステム構成要素は、燃料電池システムに空気／Ｏ2を配給する空気コンプレッサである。典型的には、コンプレッサは約２００℃の出口温度で作動する。この典型的な出口温度は、コンプレッサの性能を低下させるであろう温度、即ち、約２１０℃の温度にきわめて近い。コンプレッサの超過温度／超過圧力状態は、コンプレッサ並びに敏感な下流システム構成要素の性能を低下させ得る。しかし、空気コンプレッサを止めることは超過温度／超過圧力状態の望ましくない効果を軽減させる一方で、システムへの空気の欠如は、燃料電池、燃焼器及び改質器／燃料プロセッサを含む、停止の間に空気流れに頼る全ての他のシステム構成要素の性能を低下させ得る。例えば、燃焼器への空気流れは、燃焼器が残余のガスを燃焼し尽くすときの過熱を防止するため停止の間に維持されなければならない。
【０００８】
従って、燃料電池システムの急速停止の間に、他のシステム構成要素から必要な空気を奪い取ること無く、コンプレッサの超過温度／超過圧力状態による該システムへの望ましくない効果を軽減させることを可能とする、方法及びシステムを提供することが望ましい。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その一態様において、システムを通して空気の流れを維持しつつ、特に急速システム停止の間に、燃料電池システムの超過圧力を軽減するための排気方法及びシステムを提供する。更なる態様では、進歩的な方法を実行するための好ましい排気及び制御構成が提供される。
【００１０】
１つの構成では、燃料電池システムが提供され、このシステムは、空気を該システムに提供するための出口を有する空気コンプレッサと、改質物を生成するため燃料を改質することができる燃料プロセッサと、燃焼排気物を燃料プロセッサに提供するように作動する燃焼器と、燃料プロセッサが改質している場合において、該燃焼器から排気された燃焼排気物がシステムから排気されるように選択的に作動可能である、少なくとも１つのバルブと、を含む。本発明は、更に、燃料プロセッサが改質しておらず且つ空気コンプレッサの少なくとも１つのパラメータが少なくとも１つの所定値を超えるように該空気コンプレッサが作動するとき、上記少なくとも１つのバルブを介して燃焼排気物を選択的に排気する工程を含む。
【００１１】
本方法の一特徴によれば、燃料プロセッサの作動状態（即ち、それが、例えばＨ2ガスなどの改質物を生成するため作動しているか否か）が決定され、空気コンプレッサの少なくとも１つの作動パラメータの状態が決定され、燃料プロセッサが改質しておらず、且つ、空気コンプレッサの少なくとも１つの作動パラメータが少なくとも１つの所定値を超えていると決定された場合、上記少なくとも１つのバルブを介して燃焼器の排気物が選択的に排気される。
【００１２】
上記構成の特徴において、空気コンプレッサの少なくとも１つのパラメータ（又は少なくとも１つの作動パラメータ）には、コンプレッサ出口近傍の温度及び圧力の少なくとも１つが含まれている。即ち、上記特徴によれば、空気コンプレッサの出口近傍における温度及び圧力の少なくとも１つが少なくとも１つの所定値を超えている場合、燃焼器の排気物が選択的に排気される。
【００１３】
別の進歩的な特徴によれば、燃焼器の排気物を選択的に排気する工程は、所定の時間期間に亘って少なくとも１つのバルブを開放する工程を含む。この所定の時間期間は、本発明の一特徴によれば、約１分間である。
【００１４】
本発明に係る方法は、燃料プロセッサの過熱状態に応答して燃焼器の排気物を排気するため、システムの流れ経路、例えば燃焼器と改質器との間に設けられた少なくとも１つの排気バルブによって実行される。このシステムに適合された制御ロジックは、本発明に係る方法に従って、改質器及び空気コンプレッサの作動状態を反映する１つ又はそれ以上のパラメータを決定し、改質器が改質していない場合でさえ、コンプレッサ出口の近傍における空気の所望の温度及び圧力の状態のうち少なくとも１つを含む空気コンプレッサの少なくとも１つの作動パラメータが少なくとも１つの所定値を超えて作動している（即ち、超過温度／超過圧力状態）と決定されたとき、少なくとも１つの排気バルブを開放するように指令する。排気バルブ制御は、任意の適切なマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、コンピュータなどを含む専用のコントローラによりなすことができる。このコントローラは、制御プログラム及びメモリに蓄えられたデータを実行することが可能な中央処理ユニット、又は、他の適切な手段を有する。
【００１５】
本発明の様々な特徴、利点及び他の使用方法は、次の説明及び添付した図面を参照することによってより明らかとなろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
制御された停止の間に燃料電池システムを排気するための本発明に係る方法及び装置は、改質器／燃料プロセッサが改質物を生成するため作動していないとき超過温度／超過圧力の空気コンプレッサにより停止が必要とされた、当該システムの状態に応答して燃焼器の排気ガスを選択的に排気するプロセスを提供する。
【００１７】
本発明は、車両推進用の電力を生成するため使用される燃料電池システムに対して特に有用である。このことは、図１に一例としてのみ示された燃料電池システムを参照して更に理解することができる。従って、本発明を更に説明する前に、本発明に係る停止排気方法をその内部で用いることができるシステムの型式を理解し、更にはそのようなシステムにおける排気バルブの位置及び相互作用を示すことが有用である。
【００１８】
図１は、燃料電池システムの一例を示している。このシステムは、車両推進用のエネルギー源として車両（図示せず）で使用することができる。本システムでは、炭化水素は、例えば、体積又はモル単位で比較的高い水素含有量を有する改質ガスを生成するため改質及び優先酸化プロセスによって燃料プロセッサ内で処理される。従って、水素の豊富な、比較的高い水素含有量の改質物即ち供給流れが基準とされる。
【００１９】
以下、本発明は、改質物が作られる方法に係りなく、Ｈ2の豊富な当該改質物により燃料供給される燃料電池の文脈で説明される。本文中で具体化された原理は、改質可能な炭化水素及び水素含有燃料、例えばメタノール、エタノール、ガソリン、アルケン、又は、他の脂肪族若しくは芳香族の炭化水素などを含む任意の源から得られるＨ2により燃料供給される燃料電池に適用可能であることが理解されるべきである。
【００２０】
図１に示すように、燃料電池装置は、改質可能な炭化水素の燃料の流れ６と、水の流れ８からの蒸気の形態にある水とを触媒的に反応させるための燃料プロセッサ２を備えている。幾つかの燃料プロセッサでは、空気は、優先酸化／蒸気改質反応の組み合わせにおいても使用される。この場合には、燃料プロセッサ２は、空気の流れ９も受け入れる。燃料プロセッサは、１つ又はそれ以上の反応器１２を含み、該反応器では、流れ６内の改質可能な炭化水素燃料が、水素の豊富な改質物を生成するため、水／流れ８及び時として（流れ９内の）空気の存在下で解離を経験する。更には、各々の反応器１２は、１つ又はそれ以上の反応器ベッドを持ち得る。反応器１２は、１つ又はそれ以上の区分即ちベッドを持ち、様々な設計が知られ且つ利用可能である。従って、反応器１２の選択及び配置は、変更することができる。以下、例として掲げた燃料改質反応器１４及び下流側の反応器１６を説明する。
【００２１】
例示によれば、一例としての蒸気／メタノール改質プロセスでは、メタノール及び（蒸気としての）水は、従来技術の欄で前述したように、水素及び二酸化炭素を生成するため、反応器１４内で理想的に反応される。実際には、一酸化炭素及び水も生成される。更なる例によれば、一例としてのガソリン改質プロセスにおいて、蒸気、空気及びガソリンが２つの区分を有する反応器１４を含む燃料プロセッサ内で反応される。反応器１４の一方の区分は、主要には、部分酸化反応器（ＰＯＸ）であり、当該反応器の他方の区分は、主要には、蒸気改質器（ＳＲ）である。メタノール改質の場合のように、ガソリン改質は、所望の水素を生成するが、加えて、二酸化炭素、水及び一酸化炭素を生成する。従って、各々の型式の改質の後、生成物の流れの一酸化炭素含有量を減少させることが望ましい。
【００２２】
従って、燃料プロセッサ２は、例えば水／ガスシフト（ＷＧＳ）反応器及び優先酸化反応器（ＰＲＯＸ）などの１つ又はそれ以上の下流反応器１６も典型的に備えており、これらは、従来技術の欄で前述したように、一酸化炭素から二酸化炭素への生成に使用される。好ましくは、水素、二酸化炭素及び水を含む最初の改質ガスの流れは、許容可能なレベル、例えば２０ｐｐｍ以下にＣＯレベルを減少させるため、優先酸化（ＰＲＯＸ）反応器１６で更に処理される。次に、駆動モードの間、Ｈ2の豊富な改質物２０は、バルブ３１を通して燃料電池２２のアノードチャンバーに供給される。これと同時に、酸化剤の流れ２４からの酸素（例えば空気）は、燃料電池２２のカソードチャンバーに供給される。改質物の流れ２０からの水素及び酸化剤の流れ２４からの酸素は、電気を生成するため燃料電池２２内で反応する。
【００２３】
燃料電池２２のアノード側からの排出物即ち流出物２６は、未反応の水素を幾らか含む。燃料電池２２のカソード側からの排出物即ち流出物２８は未反応の酸素を幾らか含む。酸化剤の流れ２４用の空気は、空気供給源、好ましくは、コンプレッサ３０により供給される。空気供給源（コンプレッサ３０）からの空気は、通常の作動条件下ではバルブ３２によって燃料電池２２に向けられる。しかしながら、始動の間では、バルブ３２は、燃焼器３４の入力通路に直接空気を提供するために付勢される。空気は、ライン４６を介して供給された燃料と反応するため、燃焼器３４で使用される。燃焼器の熱は、燃料プロセッサ２の様々な部分を加熱するため使用される。
【００２４】
燃料プロセッサ２内で発生する反応の幾つかは、吸熱性であり、その結果、熱を必要とし、他の反応は発熱性であり、熱の除去を必要とすることに着目されたい。典型的には、ＰＲＯＸ反応器１６は、熱の除去を必要とする。反応器１４内の改質反応の１つ又はそれ以上は、典型的には、吸熱性であり、熱が追加されることを必要とする。これは、典型的には、反応物、燃料６、流れ８及び空気９を予め加熱することによって、及び／又は選択された反応物を加熱することによって達成される。
【００２５】
燃焼器３４からの熱は、始動の間、燃料プロセッサ２内の選択された反応器及び反応器ベッドを加熱する。燃焼器３４は、必要に応じて、間接的な熱輸送によって、選択された構成部品、燃料プロセッサ２内の反応器及びベッドの加熱を達成する。典型的には、そのような間接的に加熱される反応器は、入口及び出口を備えた反応チャンバーである。反応チャンバーの内部では、これらのベッドは、キャリア部材基体の形態にあり、各々は、所望の化学反応を達成するための触媒的な活性材料を担持する第１の表面を有する。第１の表面と反対側にある第２の表面は、熱いガスからキャリア部材基体への熱輸送のため形成されている。更に加えて、燃焼器３４は、燃料プロセッサ２への反応物質として供給される、燃料６、水８及び空気９を予備加熱するため使用可能である。
【００２６】
燃料プロセッサ２に供給される空気９は、１つ又はそれ以上の反応器１２において使用され得ることに着目されたい。反応器１４がガソリン改質反応器である場合、ライン９からの空気は反応器１４に供給される。ＰＲＯＸ反応器１６もＣＯをＣＯ2に酸化させるため空気を利用し、ライン９を介して空気供給源（コンプレッサ３０）から空気を受け取る。
【００２７】
燃焼器３４は、入口端部４２、排出端部４４及び両端部の間の触媒区分４８を備えるチャンバー４１を画成する。炭化水素燃料は、燃焼器の中に注入される。炭化水素燃料は、液体形態にある場合、燃焼器へ注入される前、又は、燃焼器の一区分に注入される前のいずれかで蒸発されて燃焼用の燃料として分散させるのが好ましい。蒸発は、電気ヒーターによりなされ得る。一旦、システムが作動し、燃焼器が加熱された場合、蒸発は、入ってくる燃料を蒸発させるため燃焼器の排出物からの熱を使用して熱交換により発生させることができる。好ましくは、燃料計量装置４３は、炭化水素の燃料が燃焼器に提供される率を制御するため提供される。
【００２８】
炭化水素燃料４６及びアノード流出物２６は、燃焼器３４の触媒区分４８内で反応され、この区分は、燃焼器３４の入口端部４２及び出口端部４４の間に存在する。酸素は、バルブ３２を介して空気供給源（即ち、コンプレッサ３０）、又は、例えばカソード流出物の流れ２８などの第２の空気の流れのいずれかから、システム作動状態に応じて、燃焼器３４に提供される。バルブ５０は、燃焼器の排出物３６が燃料プロセッサ２内の反応物を加熱するため必要とされないとき、それを大気に捨て去ることを可能にする。
【００２９】
理解できるように、炭化水素の燃料の流れ４６は、燃料電池装置の遷移状態及び定常状態の必要性に合致させるため、必要とされるとき、燃焼器３４のための燃料であるアノード流出物２６を増補する。幾つかの状況では、排気ガスは、大気に解放される前に、レギュレータ３８、停止バルブ１４０及びマフラー１４２を通過する。図１のシンボルは、以下の通りである。「Ｖ」はバルブ、「ＭＦＭ」は流量計、「Ｔ」は温度モニター、「Ｒ」はレギュレータ、「Ｃ」は燃料電池のカソード側、「Ａ」は燃料電池のアノード側、「ＩＮＪ」はインジェクタ及び「ＣＯＭＰ」はコンプレッサである。
【００３０】
燃料プロセッサ２内の選択された反応器により要求される熱量は、燃焼器３４により供給されるべきであり、燃料の量、水入力及び究極的には燃料プロセッサ２内の所望の反応温度に依存する。前述したように、ライン９を通過する空気も燃料プロセッサで使用されることがあり、燃料及び水の導入と共に考慮されなければならない。燃料プロセッサ２の熱要求量を供給するため、燃焼器３４は全てのアノード排気物即ち流出物及び可能ならば幾らかの液体燃料を利用する。エンタルピーの方程式が、燃焼器３４の所望の熱必要量に合致させるように燃焼器３４に供給されるべきカソード排気物即ち空気の量を決定するために使用され、究極的には燃料プロセッサ２の要求を満足させる。燃焼器３４に提供される酸素又は空気は、典型的に燃料電池２２のカソードに供給される全酸素のうちある割合であるカソード流出排気物２８、及び、コンプレッサ３０からの空気流れのうち１方又は両方を備えている。これは、当該装置がコンプレッサ空気流れが排他的に用いられる始動モードで作動しているか或いはカソード流出物２８及び／又はコンプレッサ空気を使用した駆動モードのいずれかで作動しているかに応じて定まる。駆動モードでは、カソード流出物２８によっては合致されない燃焼器３４により必要とされる空気全体、酸素、希釈剤は、燃焼器３４及び燃料プロセッサ２により各々要求される熱及び温度を満足させるためのある一定量が、コンプレッサ３０によって供給される。空気の制御は、空気希釈バルブ４７を介して実行される。このバルブは、燃焼器３４に供給されるカソード排出物２８の抜き取り量を制御するため可変のオリフィスを有する、ステッパーモータ駆動型のバルブである。
【００３１】
燃料電池装置の上記例では、その作動は、次の通りとなる。燃料電池装置が低温で始動するときの作動の開始時において、（１）システムに必要となる空気を提供するためコンプレッサ３０が外部電源（例えばバッテリー）から付勢される電気モータによって駆動される。（２）空気が燃焼器３４に導入される。炭化水素燃料４６（例えばＭｅＯＨ又はガソリン）が燃焼器３４に注入される。（３）空気及び燃料が、燃焼器３４内で反応し、そこで、ほぼ完全な燃料の燃焼がもたらされる。（４）燃焼器３４から出た高温排気ガスは、燃料プロセッサ２と連係した選択された反応器１２に輸送される。
【００３２】
一旦、燃料プロセッサ２内の反応器が適切な温度を達成した場合、改質プロセスが開始する。このプロセスは次の工程を含む。（１）バルブ３２が、空気を燃料電池２２のカソード側に差し向けるため作動される。（２）燃料及び水が、改質反応を開始するため燃料プロセッサ２に供給される。（３）燃料プロセッサ２から出た改質物が燃料電池２２のアノード側に供給される。（４）燃料電池２２からのアノード流出物２６が燃焼器３４に向けられる。（５）燃料電池２２からのカソード流出物２８が燃焼器３４に向けられる。（６）燃料、空気、カソード流出物２８及びアノード流出物２６が燃焼器３４内で燃焼される。好ましいシーケンスでは、工程（２）は、燃焼器に直接空気を供給すると共に、最初に実行される。次に、水素の豊富な流れが適切に低いＣＯレベルを有するとき、工程（１）及び（３）が実行され、引き続いて工程（４）、（５）及び（６）が実行される。
【００３３】
幾つかの条件の下では、燃焼器３４は、追加の炭化水素燃料４６の必要無しに、アノード及びカソード流出物単独で作動することができる。そのような条件の下では、燃焼器３４への燃料の注入は中断される。他の条件、例えば電力の要求を増加させる条件の下では、アノード流出物２６（Ａｏｕｔ）を増補するため増補の燃料４６が燃焼器３４に提供される。燃焼器３４は、例えば、炭化水素燃料、並びに、燃料電池２２のアノードからのアノード流出物２６などの多数の燃料を受け取る。燃料電池２２のカソードからの酸素を使い果たした排出空気２８及びコンプレッサ３０からの空気も、燃焼器３４に供給される。
【００３４】
本燃料電池システムの一例によれば、図１に示されたコントローラ１５０は、図１に示されたシステムの様々な態様の作動を制御する。コントローラ１５０は、任意の適切なマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、パーソナルコンピュータなどから構成することができ、これは制御プログラム及びメモリ中に格納されたデータを実行することが可能な中央処理ユニットを有する。コントローラ１５０は、図１の任意の構成要素に特化した専用コントローラであってもよく、或いは、主要な車両用電子制御モジュールに格納されたソフトウェアで実行されてもよい。更に、ソフトウェアベースの制御プログラムが上述したように様々な作動モードにおけるシステム構成要素を制御するため利用可能であるが、このような制御は専用の電子回路によって部分的又は全て実行されてもよいことが理解されよう。
【００３５】
好ましい実施形態では、燃料電池システムは、車両推進システム６０（図２を見よ）の一部分として燃料電池２２を含む。ここでは、システム６０の一部分は、バッテリー６２、電気モータ６４、及び、駆動用電子機器を含む。この駆動用電子機器はインバータ６５を含み、燃料電池システム、特に燃料電池２２と連係された直流から直流への（ＤＣ／ＤＣ）コンバータ６１から電気エネルギーを受け取り、それをモータ６４により生成される機械的エネルギーに変換するように構成及び配置されている。バッテリー６２は、燃料電池２２により供給された電気エネルギーを受け取ってこれを蓄え、再生成の空白期間の間にモータ６４により供給された電気エネルギーを受け取ってこれを蓄え、及び該電気エネルギーをモータ６４に提供するため構成及び配置されている。モータ６４は、車両（図示せず）の車輪を回転させるため駆動車軸６６に連結されている。電気化学的エンジン制御モジュール（ＥＥＣＭ）７０及びバッテリーパックモジュール（ＢＰＭ）７１は、例えばスタックの電圧及び電流を含む様々な作動パラメータを監視するが、これらのパラメータに限定されるものではない。このことは、例えば、バッテリーパックモジュール（ＢＰＭ）７１によって又はＢＰＭ７１及びＥＥＣＭ７０の両方によって、ＢＭＰ７１により監視される状態に基づいて車両コントローラ７４に出力信号（メッセージ）を送るため、なされる。車両コントローラ７４は、電気モータ６４、インバータ６５を含む駆動用電子機器、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１を制御し、ＥＥＣＭ７０からの電気パワーレベルを要求する。
【００３６】
コントローラ１５０は、ＢＰＭ７１及び／又はＥＥＣＭ７０のこれに限定されない例によって具現化され得るが、圧力、温度、始動時間、サイクル等に関する燃料電池システムの作動を監視し、システム状態の情報に応答してバルブ作動を指令し、システムの選択された状態に応答して決められたように停止コマンドを生成出力する。
【００３７】
ヒートダンプバルブ５０は、指令されたとき、図１に示されたように、通常のシステム作動の間に、レギュレータ３８をバイパスして、燃焼排気物３６を分岐させることによって、燃料プロセッサ２を冷ますために役立つ。このバイパスは、コントローラ１５０により調整され、該コントローラは温度モニター８２を介して燃料プロセッサ２の温度を監視し、燃料プロセッサ２の超過温度状態に応答してヒートダンプバルブ５０を開放するように指令する。
【００３８】
急速停止の間、ヒートダンプバルブ５０は、燃料プロセッサ２が、所望の温度外、例えば約２６０℃以上で作動する場合に、燃焼器の排気物を大気中に排気するため開放されるように指令される。約１分後、燃料プロセッサ２は、ヒートダンプバルブ５０が閉鎖されるほど十分に冷却された。レギュレータバルブ３８が閉位置で急速システム停止を引き起こすことができなかった場合、本方法によるヒートダンプバルブ５０の開放は、システムの超過圧力を効果的に軽減する。ヒートダンプバルブ５０は、図１に示すようにレギュレータ３８をバイパスするからである。
【００３９】
しかしながら、システム始動の間、燃焼器３４が水素で駆動していないときは、燃料プロセッサ２は改質温度を達成せず、まだ改質していない。この状態での停止の場合、燃料プロセッサ２は作動温度に達していないので、ヒートダンプバルブ５０は、燃料プロセッサ超過温度に応答して開放しないであろう。急速停止の間に、下流の構成要素から必要とされる空気を奪い取ることなく、例えば始動時のレギュレータ３８の失敗により引き起こされたシステムの超過圧力状態を軽減するため、本発明に係る方法によれば、空気コンプレッサ３０が例えば超過温度状態など１つ又はそれ以上の所定のパラメータの範囲外で作動していると決定された場合、ヒートダンプバルブ５０は、レギュレータ３８をバイパスするように指令される。
【００４０】
本発明の進歩的方法は、図３の流れ図に示されている。急速停止手続きの始動（ステップ９０）の間、図３のロジックは、燃料プロセッサが始動した（例えば、改質温度に達した）か否かを決定するためシステム状態の情報を決定する（ステップ９１）。燃料プロセッサが始動した場合、ヒートダンプバルブが、燃料プロセッサの超過温度状態に応答して必要時に開放される（ステップ９２）。この排気応答は、システムの超過圧力状態をその原因に係り無く効果的に軽減させる。燃料プロセッサが、始動状態即ちヒートダンプバルブが燃料プロセッサの超過温度状態によっては開放されないであろう状態にあると決定された場合、本ロジックは、コンプレッサ出口で少なくとも１つの空気コンプレッサ作動パラメータを決定する（ステップ９３）。空気コンプレッサが該作動パラメータの所望値の範囲内、例えば所定の最大出力温度で作動している場合、ヒートダンプバルブが閉じた状態にされ（ステップ９４）、燃焼器への燃料供給の迅速な停止、又は、他の停止手続きが、改質器の作動前にコントローラにより実行され得る。コンプレッサが少なくとも１つの作動パラメータの所望値の範囲外で作動している場合、本アルゴリズムのロジックは、ヒートダンプバルブが開放するように指令する（ステップ９２）。その結果、燃焼器の排気物は、レギュレータをバイパスしてシステムから排気され、システムの超過圧力／超過温度を軽減する。
【００４１】
コンプレッサの出口状態に応答して排気する間に、ヒートダンプバルブは、好ましくは、システムパラメータを許容可能なレベルに戻すため必要となる少なくとも最小期間の間、開位置に維持される。図示の例のシステムでは、この期間は約１分間である。この期間は、予め決定され、コントローラ内でプログラムされているか、或いは、コンプレッサ出口若しくは燃料電池システムの他の箇所の近傍に設けられたセンサー手段からフィードバック制御を受けてもよい。
【００４２】
本発明に係る排気制御は、適切な監視手段を備えた、ハードウェア又はソフトウェアのいずれかで実行されることができる。好ましくは、当該制御は、コントローラ１５０の制御プログラムの一部分としてソフトウェアで実行される。コントローラは、図３を参照して説明された態様で、ヒートダンプバルブ５０の作動を指令する適切なコマンド信号を生成する。好ましくは、コンプレッサパラメータ情報は、アルゴリズムロジックに設けられた、温度情報、最も好ましくは温度及び圧力情報からなる。図示の実施形態では、圧力センサー８０及び温度センサー８１の両方が、コンプレッサ出口に又はその近傍に設けられるのが好ましく、これらのセンサーはコントローラ１５０に作動的に連係される。コントローラ１５０は、検出された値と比較するため空気コンプレッサの所望の作動パラメータを表す値を用いてプログラムされ、これによって本発明に係る進歩的な方法を容易に実現できる。燃料プロセッサ２の作動状態を表す情報は、例によれば、温度センサー８２を介して本ロジックに提供され、コントローラ１５０は、燃料プロセッサ始動状態を反映させるように、改質温度に対応する所定の温度値を用いてプログラムされている。
【００４３】
指令されたとき、コントローラ１５０は、本発明に係る方法に従って、システム始動時の停止に応答して所定の時間期間の間、ヒートダンプバルブ５０を開放するようにプログラムされてもよい。この値は、約１分間の排気処理を表すように選択され、該期間は図示された燃料電池システムの超過圧力状態を軽減する上で十分である。勿論、この排気期間は、必要に応じて、及び、本方法が用いられるシステムの設計に応じて変更できる。その代わりに、コントローラ１５０は、システム状態が所望の作動パラメータ内にあることを反映する、圧力センサー８０及び温度センサ−８１のいずれか又は両方からの情報に応答して、ヒートダンプバルブ５０の閉鎖コマンド信号を生成してもよい。
【００４４】
前述した方法及び排気バルブ制御構成は、燃焼器の排気物の排気停止を提供する一方で、特に空気コンプレッサを排気するための燃料電池システムに追加の構成要素を追加する必要無しで済み、かくして、燃料プロセッサが始動状態にあるときでさえ、持続されたコンプレッサの作動を可能にすると共にシステムの超過圧力を軽減するということが理解されよう。
【００４５】
本発明に係る方法及び装置の前述した例から、特別の方法及びバルブ構成が、一例としての燃料電池システムに対して示されたということが理解されよう。特有のバルブ構成、バルブの位置、使用されるバルブ及び排気の型式、バルブの相対速度及び互いに対するそれらの閉止機能は、本発明が適用されるところの燃料電池装置に応じて変わり得る。そのような変更及び修正は、上記実施形態に開示された発明に基づいて過度の実験無しに当業者によりなすことができる。前述した説明のいずれも請求の範囲を超えて本発明を画定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る制御された停止方法および装置を組み込んだ燃料電池システムを示す図である。
【図２】図２は、利用用途の手段に接続された、図１の燃料電池装置の図である。
【図３】図３は、本発明の排気方法の流れ図である。
【符号の説明】
２ 燃料プロセッサ
６ 燃料の流れ
８ Ｈ2Ｏの流れ
９ 空気の流れ
１２、１４ 燃料改質反応器
１６ シフト反応器、優先酸化反応器
２０ Ｈ2の豊富な改質物
２２ 燃料電池
２４ 酸化剤（空気；酸素）の流れ
２６ アノード流出物
２８ カソード流出物
３０ コンプレッサ
３１ バルブ
３２ バルブ
３４ 燃焼器
３６ 燃焼器の排出物
３８ レギュレータ
４１ チャンバー
４２ 入口端部
４３ インジェクタ（燃料計量装置）
４４ 出口端部
４６ 炭化水素燃料
４７ 空気希釈バルブ
４８ 触媒区分
５０ バルブ
６０ 車両推進システム
６１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
６２ バッテリー
６４ モータ
６５ インバータ
６６ 駆動車軸
７０ 電気化学的エンジン制御モジュール
７１ バッテリーパックモジュール
７４ 車両コントローラ
１４０ 停止バルブ
１４２ マフラー
１５０ コントローラ
Claims (11)
- 燃料電池システムを排気するための方法であって、
前記燃料電池システムは、
燃料を改質して改質物を生成し、該改質物を燃料電池に供給する燃料プロセッサと、
空気を前記燃料プロセッサに提供するための出口を有する空気コンプレッサと、
前記燃料を燃焼し、燃焼器排気物を前記燃料プロセッサに提供するように作動する燃焼器と、
前記燃料プロセッサが改質している場合において、前記燃焼器から排気された燃焼器排気物が前記システムから排気されるように選択的に作動可能である、少なくとも１つのバルブと、を含み、
前記方法は、
前記燃料プロセッサが改質しておらず、且つ、前記コンプレッサ出口の近傍における空気の所望の温度及び圧力の状態のうち少なくとも１つを含む前記空気コンプレッサの少なくとも１つのパラメータが少なくとも１つの所定値を超えるように該空気コンプレッサが作動するとき、前記少なくとも１つのバルブを介して前記燃焼器排気物を選択的に排気する工程を含み、
前記少なくとも１つのバルブは、前記燃焼器から前記燃料プロセッサへ燃焼器排気物を提供するための通路に接続され、該燃焼器排気物の大気への解放を可能にし、これによって前記少なくとも１つのバルブにより解放された燃焼器排気物が、前記燃焼器により前記燃料プロセッサに提供されることを防止する、方法。 - 燃焼器排気物を選択的に排気する前記工程は、所定の時間期間に亘って前記少なくとも１つのバルブを開放する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
- 前記所定の時間期間は約１分間である、請求項２に記載の方法。
- 燃料電池システムにより電力供給される車両推進システムのための急速停止排気方法であって、
前記燃料電池システムは、
燃料を改質して改質物を生成し、該改質物を燃料電池に供給する燃料プロセッサと、
空気を前記燃料プロセッサに提供するための出口を有する空気コンプレッサと、
前記燃料を燃焼し、燃焼器排気物を前記燃料プロセッサに提供するように作動する燃焼器と、
前記燃料プロセッサが改質している場合において、前記燃焼器から排気された燃焼器排気物が前記システムから排気されるように選択的に作動可能である、少なくとも１つのバルブと、を含み、
前記方法は、
前記燃料プロセッサが改質しているか否かを決定し、
前記空気コンプレッサ出口の近傍における空気の温度及び圧力のうち少なくとも１つを決定し、
前記燃料プロセッサが改質しておらず、且つ、前記空気コンプレッサ出口の近傍における空気の温度及び圧力の状態の少なくとも１つが、少なくとも１つの所定値を超えるとき、前記少なくとも１つのバルブを介して前記燃焼器排気物を選択的に排気する、各工程を含み、
前記少なくとも１つのバルブは、前記燃焼器から前記燃料プロセッサへ燃焼器排気物を提供するための通路に接続され、該燃焼器排気物の大気への解放を可能にし、これによって前記少なくとも１つのバルブにより解放された燃焼器排気物が、前記燃焼器により前記燃料プロセッサに提供されることを防止する、方法。 - 燃焼器排気物を選択的に排気する前記工程は、所定の時間期間に亘って前記少なくとも１つのバルブを開放する工程を更に含む、請求項４に記載の方法。
- 前記所定の時間期間は約１分間である、請求項５に記載の方法。
- 燃料電池システムのための排気システムであって、
前記燃料電池システムは、
燃料を改質して改質物を生成し、該改質物を燃料電池に供給する燃料プロセッサと、
空気を前記燃料プロセッサに提供するための出口を有する空気コンプレッサと、
前記燃料を燃焼し、燃焼器排気物を前記燃料プロセッサに提供するように作動する燃焼器と、
前記燃料プロセッサが改質している場合において、前記燃焼器から排気された燃焼器排気物が前記システムから排気されるように選択的に作動可能である、少なくとも１つのバルブと、を含み、
前記排気システムは、
前記空気コンプレッサの少なくとも１つの作動パラメータを検出するため、該空気コンプレッサの出口近傍に設けられた少なくとも１つのセンサーであって、前記少なくとも１つの作動パラメータには前記コンプレッサ出口の近傍における空気の所望の温度及び圧力の状態のうち少なくとも１つが含まれている、前記少なくとも１つのセンサーと、
前記空気コンプレッサの前記少なくとも１つの作動パラメータに対応する前記少なくとも１つのセンサーからの情報を監視し、該センサー情報が所定値を超えたか否かを決定し、前記燃料プロセッサが改質しているか否かを決定し、前記燃料プロセッサが改質しておらず、且つ、前記空気コンプレッサ作動パラメータが所定値を超えた場合、前記少なくとも１つのバルブが開放するように指令する、コントローラと、を含み、
前記少なくとも１つのバルブは、前記燃焼器から前記燃料プロセッサへ燃焼器排気物を提供するための通路に接続され、該燃焼器排気物の大気への解放を可能にし、これによって前記少なくとも１つのバルブにより解放された燃焼器排気物が、前記燃焼器により前記燃料プロセッサに提供されることを防止する、排気システム。 - 前記少なくとも１つのセンサーは、前記空気コンプレッサ出口の近傍の温度を検出する、請求項７に記載のシステム。
- 空気圧力を検出するため前記空気コンプレッサ出口の近傍に設けられた少なくとも１つの第２のセンサーを更に含む、請求項８に記載のシステム。
- 前記コントローラは、所定の時間期間に亘って前記少なくとも１つのバルブを開放させるように指令する、請求項７に記載のシステム。
- 前記所定の時間期間は約１分間である、請求項１０に記載のシステム。
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