JP3991115B2 - 負荷管理機能を備えた燃料電池システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギー生産システム、特に複数の燃料電池スタックを含む燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは燃料処理装置および燃料電池スタックを備える。燃料電池スタックは燃料処理装置の生成物流から電流を生成する。例えば、燃料処理装置は、水、炭素含有原料またはその両方等の通常の原料から酸素ガスまたは水素リッチなガスを生成する。燃料電池スタックはこのように生成された酸素ガスから電流を生成する。
【０００３】
図１に従来の燃料電池システムの一例を示す。図において、符号１０は燃料電池システムを示す。システム１０は、燃料処理アセンブリ１１および燃料電池スタック２２を備える。燃料処理アセンブリ１１は、適当な燃料処理装置１２および原料流１６をその燃料処理装置へ搬送する原料流搬送システム１７を備える。燃料処理装置１２は、燃料処理装置の原料を含む原料流１６から水素ガスを含有する生成水素流１４を生成するように構成されている。
【０００４】
原料流１６を形成する組成物および流路数は、燃料処理装置１２が生成水素流１４を生成するための仕組みによって異なる傾向にある。例えば、燃料処理装置１２が、水蒸気または自熱改質によって生成水素流１４を生成する場合、原料流１６は炭素含有原料１８および水２０を含む。燃料処理装置１２が、炭素含有原料を熱分解または触媒部分酸化することによって生成水素流１４を生成する場合、原料流１６は炭素含有原料を含み水は含まない。燃料処理装置１２が、電解によって生成水素流１４を生成する場合、原料流１６は水を含み炭素含有原料は含まない。炭素含有原料の例としては、アルコール類および炭化水素類が挙げられる。原料流が水および水溶性の炭素含有原料を含む場合、原料流は、図１に示すような単一流となる。炭素含有原料が水に対して混和性が無い場合、それら水および炭素含有原料は、図２に示すような別々の原料流にて搬送される。
【０００５】
燃料電池スタック２２は、生成水素流１４のうちの搬送されてきた部分から電流を生成するものである。燃料電池スタック２２は、共通の端板２３の間に一体化された複数の燃料電池２４を備え、燃料電池２４は、図示されない流体搬送／除去管を備えている。従来の燃料電池の例としては、プロトン交換膜（PEM）燃料電池およびアルカリ燃料電池が挙げられる。燃料電池スタック２２は、生成水素流１４の全てを受け取るようにしてもよい。幾らかのまたは全ての生成水素流１４は、追加的にまたは代替的に、別の水素消費処理における使用のために適当な配管を通じて搬送され、燃料または熱として使用されるために燃焼され、または後の使用のために蓄えられる。
【０００６】
燃料電池２２は、生成水素流の少なくとも大部分を受け取り、且つそこから電流２６を生成する。この電流は接続された自動車、家または他の住居用或いは商業用居住建物等のエネルギー消費装置２８に電力を供給するために使用される。
【０００７】
図３に燃料電池スタックの一例を示す。スタック２２（およびそれに含まれる各燃料電池２４）は、水素イオンが透過してもよい電解膜またはバリア３６によって隔てられた陽極（アノード）域３２および陰極（カソード）域３４を含む。これら領域は、それぞれ陽極および陰極の電極３８、４０を含む。燃料電池スタックの陽極域３２は、生成水素流１４の少なくとも一部を受け取る。陽極域３２は、周期的にパージされ、水素ガスを含んでいてもよいパージ流４８を放出する。或いは、水素ガスは連続的に燃料電池の陽極域から排気され再循環されてもよい。パージ流は大気中に排気され、燃焼され、加熱、燃料または燃料処理アセンブリへの原料として使用されてもよい。燃料電池スタックからのパージ流は、適当な回収アセンブリにまとめられ、その回収アセンブリを介して１つに結合されたパージ流が燃料、原料、加熱の用途に付せられてもよいし、或いは採取、使用または貯蔵されてもよい。
【０００８】
陰極域３４は、空気流４２を受け取り、部分的或いは実質的に酸素を減損させた陰極空気排出流４４を放出する。空気流４２は、図３に概略的に示す空気搬送システム４６によって搬送されてもよく、空気搬送システム４６は、ファン、ブロワ等、適当な形態のものであればいずれのものでもよい。酸素ガスから発散された電子は、バリア３６を透過できないので、外装回路４９を通り、そこで装置２８から適用される負荷を満足する電流２６を生成する。電流２６は燃料電池システムを稼動するためにも使用される。燃料電池システムの電力要求量を、集合的に燃料電池システムのバランス・オブ・プラント要求量と呼ぶ。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池システム１０は単一の燃料電池スタックおよび単一の燃料処理装置のみに依存しているため、これら部品に対する依存による制限を受ける。例えば、スタック２２がメンテナンスを必要とする場合、損耗した場合、或いは使用から外さなければならない場合に、システム１０は、前もって蓄えた電力があれば、その電力を供給するが、そうでなければ電力を装置２８に供給できない。同様に、燃料処理装置１２がメンテナンスを必要とする場合、損耗した場合、或いは使用から外さなければならない場合に、システム１０は、前もって蓄えた原料があれば、その原料を供給するが、そうでなければ生成水素流１４等の原料を燃料電池スタック２２に供給できない。
【００１０】
【問題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池スタックの冗長性および／または燃料処理装置の冗長性等の少なくとも１つの操作部品が冗長性を有する燃料電池システムに関する。ある実施の形態において、燃料電池システムは部分的および／または全体的な冗長性を提供する複数の燃料電池スタックを備える。ある実施の形態において、燃料電池システムは、燃料電池スタックを１つだけ有する燃料電池システムによる最高定格電力出力と同等の電力を供給する複数の燃料電池スタックを備えることにより、部分的な冗長性を提供する。ある実施の形態において、燃料電池システムは、燃料電池スタックを１つだけを有する燃料電池システムによる最高定格電力出力以上の電力を供給する複数の燃料電池スタックを備える。ある実施の形態において、燃料電池システムは、燃料電池スタックを１つだけ有する燃料電池システムと比べて、ｎ＋１の（或いは全体的な）冗長性を有する複数の燃料電池スタックを備える。ある実施の形態において、燃料電池システムは制御システムを備える。ある実施の形態において、燃料電池システムは、複数の燃料処理装置を含み、部分的または全体的な冗長性を提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池システムは、図４に示すものであって、符号６０によって示される。システム６０は、原料流６８を介して搬送される原料から生成水素流６６を生成するように構成されている燃料処理装置６４を有する燃料処理アセンブリ６２を備える。また、システム６０の部品は概略的に示され、且つこの燃料電池システムは、図に示された以外の部品、例えば、引用する参考文献に開示されているような供給ポンプ、空気搬送システム、熱交換器、加熱アセンブリ等を含む。
【００１２】
燃料処理装置６４は、適当な仕組みにより生成水素流６６を生成する。適当な仕組みの例としては、改質触媒を使用して炭素含有原料および水を含む原料流から水素ガスを生成する水蒸気改質および自熱改質が挙げられる。水素ガス生成に適した仕組みの他の例としては、炭素含有原料の熱分解および触媒部分酸化が挙げられ、この場合、原料流は水を含まない。水素ガス生成に適した仕組みのさらに他の例としては、電解が挙げられ、この場合、原料は水である。図４に示される原料流６８は、二つの別々の流れとしてそれぞれ別の原料搬送システム７０、７０から搬送されている。本発明の請求の範囲において、原料流は１つでも或いは二つ以上でもよい。同様に、原料搬送システムも、原料の供給路に結合されたポンプや、原料の圧縮流に結合されたバルブアセンブリ等、適した形態のものであればいずれのものでもよい。
【００１３】
説明のため、燃料処理装置６４を、炭素含有原料７２および水７４を含む原料流６８を受け取る水蒸気改質器として以下に説明する。しかしながら、本発明の請求の範囲においては、燃料処理装置６４は上に述べたように他の形態のものでもよい。適した炭素含有原料７２の例としては、少なくとも一種の炭化水素またはアルコールが挙げられる。適した炭化水素の例としては、メタン、プロパン、天然ガス、ディーゼル、ケロシン、ガソリン等が挙げられる。適したアルコールの例としては、メタノール、エタノール、エチレングリコールおよびプロピレングリコール等のポリオール類が挙げられる。炭素含有原料が水溶性の場合、炭素含有原料および水は、図５に示すように、単一の原料流６８として搬送されるが、必ずしもそうでなければならないというのではない。炭素含有原料が水溶性でない場合、図４に示すような別々の原料流６８が使用される。
【００１４】
適した水蒸気改質器の例としては、米国特許出願番号０９／２９１，４４７（発明の名称：「燃料処理システム（Fuel Processing System）」、出願日：１９９９年４月１３日、開示内容全体をここに引用したものとする）に開示されたものが挙げられる。燃料処理アセンブリ６２に含まれる他の部品の例としては、米国特許出願番号０９／１９０，９１７（発明の名称：「内蔵燃料電池システム（Integrated Fuel Cell System）」、出願日：１９９８年１２月１２日、開示内容全体をここに引用したものとする）に開示されたものが挙げられる。
【００１５】
図４に示すとおり、燃料処理アセンブリ６２は、生成水素流６６の少なくとも一部を複数の燃料電池スタック７６に搬送するように構成されている。複数の燃料電池スタック７６を、集合的に、スタックアセンブリ７７と称することがある。スタック７６は、そこに搬送される生成水素流の一部から電流７８を生成し、この電流はエネルギ要求、つまりエネルギ消費装置８０の適用負荷を満足するために使用してもよい。装置８０の例としては、自動車；娯楽用自動車；ボート；道具類；照明または照明アセンブリ；機械機器（民生用または他の機械機器）；家、アパートメント、タウンハウス、コンドミニアム等の１つ或いはそれ以上の住居用居住建物、商業用建物；電磁波リレーステーション；信号または通信設備等が挙げられるが、これに限定されない。図4において、装置８０は概略的に示されており、実際には、電流を燃料電池システムから取り出すための１つ或いはそれ以上の装置または装置の集合体である。この点をさらに詳しく説明すると、装置８０は、図５において一対の装置８０ ₁ と８０ ₂ とを備える。それぞれの装置８０は、装置８０が適用負荷の少なくとも一部を燃料電池スタックアセンブリ７７に適用している第一作動状態および装置８０がスタックアセンブリ７７に全く負荷を適用していない第二作動状態を少なくとも含む複数の作動状態を有する。
【００１６】
図４の例においては、４つのスタック７６ ₁ 〜７６ ₄ が示されている。システム６０は、複数の燃料電池スタック７６を含んでいるのであって、単に複数の燃料電池を含む単一の燃料電池スタックとは区別されることが重要である。図に示すとおり、燃料電池は、それぞれ、共通の端板の間で接続され、且つ、共通の流体管を有する１つ或いはそれ以上の燃料電池８２（通常、複数の燃料電池を含む）を含む。適した燃料電池の例としては、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、アルカリ燃料電池が挙げられるが、適した燃料電池であれば他のものも使用される。同様に、スタックおよび電池の構成は図３に示すスタックの構成と同じであってもよい。それぞれのスタックにおける燃料電池８２は、スタックに搬送される生成水素流６６の一部等のスタックに搬送される原料から電力を生成する１つのユニットとして作用する。それぞれのスタックは、スタックが生成水素流６６の少なくとも一部を受け取りそこから電流を生成する第一作動状態と燃料電池スタックが電流を生成しない（通常、流６６の一部を受け取らない）第二作動状態とを少なくとも含む複数の作動状態を有する。
【００１７】
単一の燃料電池スタックとは異なり、アセンブリ７７のスタックは、それぞれ独立して作動する。このことによって、あるスタックがメンテナンスや修理のために作動不良または作動から外された場合、他のスタックが作動し続けることによって電流７８を生成し、装置８０からの適用負荷の少なくとも一部を満足する。スタックアセンブリの全定格電力出力は、スタックのうち少なくとも１つがオフラインまたは電流を生成していない場合は実現されないが、スタックのうち少なくとも１つが作動している限り定格電力出力の一部が生成される。換言すれば、スタックアセンブリ７７は、装置８０からの適用負荷に対して最大定格電力出力を供給できる単一で機能するスタックではあるが、機能するスタックが１つも無い場合には、前もって蓄えられた電力がある場合はそこから電力出力を供給できるが、そうでなければ供給できないというスタックに代わるものである。
【００１８】
スタックアセンブリ７７の有用性をさらに詳しく述べるために、ここに使用されている用語の幾つかを定義しスタックアセンブリ７７およびシステム６０の用途を説明する。ここで使用される「最大定格電力出力」とは、燃料電池スタック７６が生成するように設計、つまり構成された電力出力のことである。例えば、エナジー・パートナーズ（Energy Partners）、プラグ・パワー （Plug Power）、ヌヴェラ（Nuvera）、エイチ・パワー（H-Power）、バラード・パワー（Ballard Power）、 インターナショナル・フュエル・セルズ（International Fuel Cells）、テレダイン（Teledyne）等の燃料電池スタックの製造業者らは、製品スタックをそれらが安全に作動するように設計された範囲内にある最大電力出力を定格とする。同様に、「全定格電力出力」は、スタックアセンブリ７７に含まれる複数の燃料電池スタックの総最大定格電力出力のことである。ここで使用される「最大要求電力出力」とは、１つの燃料電池スタックまたはスタックアセンブリが、装置８０からの適用負荷を満足するために供給することを要求される最大電力出力のことである。ここで使用される「中間電力出力」および「中間定格電力出力」とは、燃料電池スタックアセンブリの全定格電力出力に満たない出力のことである。例えば、スタックアセンブリが３つのスタックを有し、且つ、そのうち１つがオフラインである場合、このスタックアセンブリは中間電力出力、すなわち残りの二つのスタックの最大定格電力出力の合計の電力を供給することが出来る。このような出力は、スタックアセンブリの有効定格電力出力とも呼ばれ、ある特定のときに使用可能なスタックの数によって変わる。
【００１９】
ある特定の装置８０は、固定或いは変動負荷を燃料電池システム６０（および燃料電池スタックアセンブリ７７）に適用する。適用負荷の大きさおよび変動性は、装置の種類および構成且つ装置の用途によって異なる傾向にある。例えば、ある特定の装置８０は通常スタックアセンブリ７７に３００Wから１５ｋWの範囲にある負荷を適用する。スタックアセンブリ７７は、２０ｋWまでの電力を供給するように設計され、この負荷を満足し、システム６０のバランス・オブ・プラント要求量を供給し、且つ、装置８０から与えられた負荷が通常の範囲の値を超える場合には追加的或いは代替的にバッファを供給する。このような構成において、スタックアセンブリの全定格電力出力は２０ｋWであり、スタックアセンブリ７７の最大要求電力出力は１５kWである。スタックアセンブリ７７に含まれるスタック７６のそれぞれの最大定格電力出力は、本明細書中にも詳しく述べるが、例えば、スタックの数や目標冗長性の程度によって異なってもよい。
【００２０】
説明のため、下記に装置８０の作動電力要求量の範囲を一例として示す。自動車は一般に５〜７５ｋWの電力を必要とし、５ｋWは水平な路面を走行しているときの要求量を表し、７５ｋWは加速度が大きいときの要求量を表す。一家庭用のバックアップ電力供給としては、一般に３００Wから１３〜１５ｋWの範囲内の電力が必要とされる。娯楽用自動車、移動住宅等は、通常、起動電力要求量を除いては、３００Wから７〜１０ｋWの範囲内の電力を要求する。このような電力範囲は、娯楽用自動車中の加熱器、調温調湿機および機器を作動させるために必要とされる電力を表し、自動車を駆動するための電力を表すのではない。帆船等の海上船は１００〜３００Wから２〜５ｋWの範囲の電力要求を有することが多い。例えば、無停電電源装置（UPS）等の幾つかの装置８０は、その電力供給が使用される特殊な環境に依存する特定の電力要求量に対して設計されていてもよい。例えば、パソコンに電力を供給するように構成されたUPSは３００Wの電力しか必要としない。しかしながら、通信設備、信号送信設備、研究所、コンピュータネットワーク等に電力を供給するように設計されたUPSはより大きな電力要求量を有する。
【００２１】
上述の範囲は説明のための例示であって、類似の装置８０であってもこれらの範囲外で作動してもよい。同様に、各装置は切断されたり運転停止となることもあり、その場合には、装置は電力要求量を有しないことから、上述の範囲は作動電力要求量として言及されているものである。
【００２２】
本発明の請求の範囲において、燃料電池アセンブリ７７に含まれる燃料電池スタック７６の数は、二つから数ダース、或いはそれ以上であってもよい。装置６０は、複数のそれぞれ独立したスタック７６を含むため、個々のスタックは、システム１０のスタック２２のように単一スタックのみが使用されている場合と比べて小さいサイズで且つ低い最大定格電力出力を有する。小さいサイズの複数のスタックを使用する場合、それらは通常単一のより大きなスタックよりも安価である。それぞれのスタックのコストの減少は、追加するスタックのための追加の制御装置および流体管によっていくぶん緩衝される。本明細書にて詳しく述べるが、それぞれのスタックの定格電力出力を対応するシステム１０のスタック２２に等しくすることもできる。
【００２３】
比較例として、バックアップ電力（緊急時またはスタンバイ電力の用途）３ｋWを一家庭に供給するように設計された燃料電池システム１０が考えられる。引き続きこの例において、燃料電池システムのバランス・オブ・プラント要求量（具体的には、システム６０の部品に必要とされる電力）を満たすように電力を供給することも出来る。パワーエレクトロニクス回路におけるバランス・オブ・プラント要求量および損失量は、通常２〜３００ワットからおよそ１ｋWである。このようなシステムにおいて、最大要求電力出力は３ｋWで、スタック２２の最大定格電力出力は４ｋWである。従って、システム１０は、家庭における最大要求電力出力を供給可能であり、且つシステムのバランス・オブ・プラント要求量を供給可能である。しかしながら、もし、スタックが故障したり、許容範囲外の作動条件下で作動したり、アップグレードが必要とされたり、異物が混入したり、別の用途に使用されたり、検査されたり、或いは修理されたりして、スタック２２を作動から外さなければならない場合、システム１０はスタックが再び整備されるまでは家庭に電力を供給できない。このような時、家庭はバックアップ電力に欠けることになる。繰り返すが、これは一例であって上述の値はシステムによって異なってもよい。例えば、あるシステムのバランス・オブ・プラント要求量が１ｋWを超える場合、燃料電池スタック２２としては、前記より大きな最大定格電力出力を持つものを選択しなければならない。
【００２４】
燃料電池システム６０がシステム１０の代わりに使用された場合、たとえスタックアセンブリ７７に含まれるスタック７６のうちの１つが故障したり、オフラインであったり、運転停止となったり、或いは作動から外された場合でも、システム６０は少なくとも中間電力出力を供給することができる。例えば、スタック７６ ₁ 〜７６ ₄ のそれぞれが最大定格電力出力１ｋWを有する場合、このスタックアセンブリはシステム１０の定格電力出力と同等の全定格電力出力を有することとなる。これらスタックのうち１つがオフラインであった場合でも、スタックアセンブリ（およびシステム６０）は中間電力出力（３ｋW）を供給することが出来る。このような状況では、家庭或いは他の種類の装置８０の最大要求電力出力を満たすことはできないが、この最大定格電力出力の少なくとも一部、また、場合によっては実質的な部分をまかなうことができる。従って、スタックアセンブリ７７は、全てのスタック７６が電流を生成する第一作動状態と、どのスタック７６も電流を生成しない第ニ作動状態と、スタック７６のうち少なくとも１つが電流を生成するがスタック７６のうち少なくとも１つが電流を生成しない第三作動状態とを有すると言える。また、多くの装置８０が、大部分（８０％以上）ではなくとも過半数の作動時間中に、最大要求電力出力に相当する負荷よりも小さい負荷を適用する。このような状況で、前記スタックアセンブリは、最大要求電力出力を供給することができないとしても、家庭の適用負荷を満たすことが可能である。
【００２５】
上述の例から、装置８０の最大要求電力出力と同等の全定格電力出力を集合的に有する独立した複数のスタック７６からなるスタックアセンブリ７７の有用性は実証されたものとする。このようなシステム６０は、１つの燃料電池スタックアセンブリ、つまり独立的には前記燃料電池システムの最大要求電力出力よりは小さい定格電力出力を有するが集合的には前記システムの最大要求電力出力を満たす複数の燃料電池スタック、を有するといえる。このようなシステムは、また、そのシステムがたとえ１つ或いはそれ以上の独立したスタックが故障した場合でも（作動しているスタックが少なくとも１つある限り）中間電力出力を供給するという中間或いは部分的な冗長性を有するといえる。
【００２６】
先に述べたように、スタックアセンブリ７７に含まれる燃料電池スタック７６の数は異なっていてもよいが、最低２つのスタックを常に含まなければならない。例えば、上述の例で記載したスタックアセンブリは、それぞれ５００Wの定格電力出力を有する８つのスタック７６、それぞれ２ｋWの定格電力出力を有する２つのスタック７６、それぞれ１．３３ｋWの定格電力出力を有する３つのスタック７６等を代替的に備える。
【００２７】
本発明の幾つかの実施例においては、それぞれの独立したスタック７６の電力定格が、たとえ１つ或いはそれ以上のスタックが故障したり、或いは整備、メンテナンスまたは修理のためにオフラインとなった場合においてもシステムが最大定格電力出力を達成するように、少なくとも１つの「余分な」スタックを備えることが望ましい。例えば、４ｋWのシステムが所望されたと仮定して、１ｋW定格の５つのスタックを有することにより、たとえこれらスタックのうち１つがオフラインとなる必要がある、または、故障した場合でも、最大要求電力出力は達成される。このような構成において、システム６０は、たとえ１つのスタックが電力を生成していなくてもシステム自体は最大要求電力出力を供給できるｎ＋１の冗長性を有すると言える。本発明の請求の範囲において、ｎ＋２冗長性、ｎ＋３冗長性等の所望の冗長性の程度が提供される。前記燃料電池スタックアセンブリが少なくともｎ＋１の冗長性を含んでいれば、たとえ１つ（或いは冗長性の程度によりそれ以上）のスタックが故障するかオフラインとなった場合でも前記スタックアセンブリ（および関連燃料電池システム）が最大要求電力出力を供給する全冗長性を有すると言うことができる。
【００２８】
追加のスタックを有することにより提供されるシステムのより高い信頼性はこれらの追加のスタックに対する先行投資費用、運転費用、システム要求等のコストと比較考量されなければならない。従って、全てのユーザのための全ての目的に最適な構成は無い。その代わり、ある特定のシステムが、許容範囲のシステムコスト、所望の中間冗長性および所望の全冗長性等の要因によって選択される。多くの用途において、ｎ＋１冗長性は望ましい。もちろん、単一の燃料電池スタックが充分に高い信頼性を有する場合、冗長性は必要とされない。しかしながら、ある特定のスタックの実際の信頼性を予想することは、特にそのスタックがその上流または下流にあるシステム部品の故障により故障することがある場合、困難なことが多い。多くの用途において、ある程度の冗長性は、燃料電池システムが電流を全く生成できないというような事態に対する防護手段として必要である。
【００２９】
システム６０は、図１および図２に示される単一スタック２２の代わりに複数の燃料電池スタック７６を有するため、これらスタックは装置８０（および／または前記燃料電池システムのバランス・オブ・プラント要求量、この要求量はシステムの起動時においてより大きくなる）からの適用負荷を満たすために、その増分に対応してオンラインとなる。このように、最大値より低い負荷に対しては、その負荷要求を満たすために必要な数のスタックのみがオンラインとなり作動する。スタックに対して非常に長い寿命が必要とされ、且つ、負荷は最大定格電力出力と最小電力出力を毎日繰り返す住居用用途等の要求が厳しい用途に対しては、その負荷要求を満たすために必要なだけの燃料電池スタックを作動させることが、結果として燃料電池スタックの作動時間の減少およびより長い寿命につながる。このように、システムが使用されているときは常にオンラインの単一のスタックを有する代わりに、システム６０は、装置８０から適用された負荷を満足するのに必要な数のスタックだけを使用することで各燃料電池スタックの作動可能寿命を維持することができる。本明細書においてさらに詳しく述べるが、各スタックの作動状態は、手動で選択してもよいし、（装置８０およびシステム６０からの）適用負荷の大きさによる自動的制御によって選択してもよいし、或いは制御システムによる制御によって選択してもよい。
【００３０】
各燃料電池スタックは、電気的に直列、並列または直列・並列の組み合わせに接続され、システム６０の出力電圧要求を満足する。例えば、上述の例において説明した４つの１ｋWスタックは、それぞれ、負荷下で１２VDCを生ずる。これらスタックは、パワーエレクトロニクス回路に対して４８DVCの出力を生ずるために電気的に直列接続される。これらの値は単に説明のための例であって、スタックアセンブリ７７によって生成された電流の電圧は適用負荷によって異なる。好ましくは、各燃料電池スタックは、１つ或いはそれ以上の燃料電池スタックのメンテナンス、使用、取替え等を他のスタックが電力を装置８０に供給し続けている間に迅速に行うために電気的にお互いに分離されている。
【００３１】
電力が複数の燃料電池スタックから装置８０に搬送される際に通過する電力管理モジュール８１を含むシステム６０の１つの実施形態を図５に示す。スタックアセンブリ７７からの電力（或いは電流）７８は、図中８３として示されるようにモジュール８１を通って装置８０へ搬送される。装置８０がAC電力を必要とする場合、モジュール８１は、各燃料電池スタックからのDC電力をAC電力に変換するためのインバータを含む。図６にインバータ８５を含む電力管理モジュールの一例を概略的に示す。モジュール８１は、超過電力を保存するための１つ或いはそれ以上のバッテリ８８を含むバッテリアセンブリ８６と連動充填器９０、およびスタックアセンブリからの電力を選択的に装置８０またはバッテリアセンブリ８６に搬送するように構成されている切換アセンブリ９２を追加的或いは代替的に備える。モジュール８１は、例えば、電流７８の電圧を増加させる少なくとも１つの昇圧DC‐DC変換器または電流７８の電圧を減少させる少なくとも１つの降圧DC‐DC変換器等の少なくとも１つのDC‐DC変換器９３を追加的或いは代替的に備える。変換器９３は、スタックアセンブリ７７からその電圧が適用負荷によって変動する未調節のDC流を受け取り、この電圧を選択された値に調節する。この選択された電圧は、前記未調節の電圧より低くても高くても良く、また、前記変換器からの出力流がバッテリアセンブリ８６に向かっているかまたは装置８０に向かっているかによって異なる。モジュール８１は各スタック７６のためのDC‐DC変換器を有してもよく、或いは、各燃料電池スタックは、図７に点線で概略的に示されるような専用DC‐DC変換器９３に電気的に接続されるか、または、そのような専用DC‐DC変換器９３を有していてもよい。図にあるように、各DC‐DC変換器は各接続機１００を介して各燃料電池スタック７６と一体化されるか、または、各燃料電池スタックの下流に別個に配置されてもよい。各専用DC‐DC変換器からの調節済みDC出力は並列または直列に接続される。モジュール８１は上述の部品以外のものを含んでもよいのであって、上述の部品の全てが電力管理モジュールのあらゆる実施形態において必要というわけではない。
【００３２】
図７にシステム６０の他の実施例を示す。このシステム６０は、生成水素流の少なくとも一部を受け取り、且つ、受け取った生成水素流をスタックアセンブリ７７を形成する複数の燃料電池スタックに搬送する搬送マニホールドアセンブリ９４を備える。図に示すとおり、アセンブリ９４は、生成水素流６６を受け取り、複数の水素流９６を複数のスタック７６に分配する。好ましくは、前記マニホールドアセンブリは、水素ガスのみをスタックアセンブリ７７の作動中のスタックに送るように構成される。さらに詳しく述べると、スタックアセンブリ７７に含まれる複数の燃料電池スタックの数は特に決まっておらず、例えば、図７に示すスタックアセンブリ７７は一対の燃料電池スタック７６を有する。上述したとおり、ある程度の中間および／または全冗長性を提供するためには、少なくとも２つのスタックが必要不可欠である。
【００３３】
燃料電池システム６０は、マニホールドアセンブリ９４からスタックアセンブリ７７の燃料電池のうちで選択されたものへと分配される水素ガスの流れを調節または選択的に遮断するように構成されているバルブアセンブリ９８を備える。或いは、バルブアセンブリは、スタックアセンブリ全体に搬送される水素ガスの流れを調節または選択的に遮断するようなものでもよい。バルブアセンブリ９８は、水素ガスの流れをスタックアセンブリ７７および／または複数のスタック７６に選択的に搬送する或いは遮断するために適した構成であればいかなる構成を有してもよい。適した装置の例としては、流量調節器、切換器、切換アセンブリ、ソレノイド等が挙げられる。図７においては、バルブアセンブリ９８は、マニホールド９４と一体化されている。バルブアセンブリ９８は幾つかの実施例において搬送マニホールドアセンブリと直接または間接的に協調通信関係にあるが、本発明の請求の範囲においては、バルブアセンブリ９８は搬送マニホールドアセンブリの外部に配置されていてもよい。
【００３４】
燃料電池システム６０は、アセンブリ７７に含まれる燃料電池スタック７６のうち１つ或いはそれ以上を適用負荷から電気的に分離するために作動される接続器または他の適当な装置１００を含んでいてもよい。前記接続器は、１つのスタックを使用のために取り除く場合等には手動で、或いは、ある一定の作動条件または負荷条件を超えるときに等に自動的に、および／または制御システムによって動作するようにしてもよい。例えば、１つの接続器は、ある特定のスタックが高すぎる温度で作動している場合、ある特定のスタックの電位が低すぎる場合、一酸化炭素に曝されたりしてある特定のスタックに異物が混入した場合、ある特定のスタックが整備または検査される場合、或いはある特定のスタックが適用負荷を満たすために不要である場合に、そのスタックを使用から取り除くために作動される。
【００３５】
スタックアセンブリ７７は、水素ガス以外の原料を受け取る。例えば、燃料電池スタック７６は、それぞれ、空気流１０２を空気搬送システム１０４から受け取る。図３に関して先に述べたが、空気流は各スタックの陰極域にそれぞれ搬送される。空気流は、図８に示すように、搬送マニホールドアセンブリ９４によって各スタックに分配されてもよい。図８に示す実施例においては、空気搬送システム１０４はどのような形態のものでもよく、空気流１０６をマニホールドアセンブリ９４に搬送し、このマニホールドアセンブリ９４が、空気流１０２をそれぞれ各スタック７６に搬送する。また、図８に示す実施例においては、マニホールドアセンブリ９４の外部に配置された切換アセンブリ９８が含まれている。さらに、同図において、スタックアセンブリ７７は、独立した燃料電池スタック７６ ₁ 、７６ ₂ 、７６ _n を含むように図示されているが、これは選択された数のスタックであれば幾つでも使用可能であることを示している。
【００３６】
スタック７６は、各スタック７６の作動温度を調節するための冷却液流１０８を受け取ってもよい。冷却液供給または搬送システムの一例を、図８において概略的に１１０として示すが、これらは適した形態であればどのような形態でもよい。システム１１０は、冷却液流１１２をマニホールドアセンブリに搬送し、このマニホールドアセンブリが冷却液流１０８を、それぞれ、独立したスタックに搬送する。適した冷却液の例としては、空気、水、グリコール類、および水‐グリコール混合物類が挙げられるが、これらに限定されない。冷却液流は、冷却液ループを形成してもよく、または、冷却液流は、スタック７６を冷やすために使用された後は、通気、排気、或いは、別の使用に付されるか処理されてもよい。冷却液は、各スタックの陽極および陰極域に直接導入されるのではない。その代わりに、冷却液は、１つの燃料電池スタックを形成する各燃料電池８２間にあり、この燃料電池スタックを取り囲んでいるジャケットを通り抜け、並びに／または前記陽極域および／若しくは陰極域を通り抜けて延在する配管を通る。
【００３７】
水素流９６と同様に、空気流１０２も、スタックアセンブリ７７の中でも電流を生成するために作動しているスタックにのみ搬送されることが好ましい。例えば、空気流が、電流を生成するために使用されていないＰＥＭ燃料電池に搬送された場合、このスタックの電池に使用されている電解膜を乾燥させてしまう。冷却液流１０８は、それぞれ、作動中のスタックにのみ搬送されてもよいし、或いは、常にスタックアセンブリ７７中の全てのスタックに搬送されてもよい。例えば、全てのスタックへの冷却液の連続的な供給を維持することは、冷却液の供給を調節し選択的に遮断することに比べると、需要電力も少なく、また、要求資源も少ない。
【００３８】
図７においては、単一搬送マニホールド９４が示されているが、燃料電池システム６０は、スタックアセンブリ７７に送られるそれぞれの原料用に別々のアセンブリを有してもよい。このような燃料電池システム６０の一例を図９に示す。図９において、水素ガスがマニホールドアセンブリ９４によって分配され、空気はマニホールドアセンブリ９４’によって分配され、冷却液はマニホールドアセンブリ９４’’によって分配される。本発明の請求の範囲において、前記スタックのそれぞれが、これらの流れの幾つか或いは全てを上述の供給源からマニホールドアセンブリを介さずに直接受け取ってもよく、且つ、それぞれのスタックは、これら流れのうち１つ或いはそれ以上をある独立した供給源または搬送システムから受け取ってもよい。
【００３９】
流れ９６、１０２および／または１０８が、ある搬送マニホールドアセンブリを介してスタックアセンブリ７７の各スタック７６に搬送される場合、これらの流れは、直列よりも並列に搬送されることが好ましい。このような構成にすることによって、各スタックはそれぞれの流れを本質的に同じ組成物、温度等で受け取ることができる。
【００４０】
図１０に、燃料電池システム６０の一例を示す。この図において、燃料電池システムは、システム６０の動作を管理するように構成されている制御装置１２２を具備する制御システム１２０を含む。図に示すとおり、制御装置１２２は燃料電池システム内の種々の部品と通信リンク１２４を介して通信する。リンク１２４は、制御装置と燃料電池システムにおいて対応する各部分との間にあって、それぞれ、機械的な通信、有線または無線通信等、適した通信形態であればいずれの形態であってもよい。これら通信リンクは一方或いは双方向通信が可能である。双方向通信リンクの場合、制御装置は燃料電池システムの種々の部品からの入力信号を受け取り、且つ、制御信号をそれら部品に送信することができる。適した入力の例としては、温度、圧力、流量、組成、動作状態、負荷等のうちの１つ或いはそれ以上の最新の作動条件が挙げられる。これらの入力は対応する部品から直接に受け取ってもよいし、或いは、選択された部品と連動しているセンサアセンブリ１２６から受け取ってもよい。
【００４１】
通信リンク１２４およびセンサ１２６の一例を図１０に示すが、本発明の請求の範囲においては、制御システム１２０が図１０に示すリンクとセンサの全てを全実施例中において備えるというわけではない。同様に、制御システムは、燃料処理アセンブリ６２（およびその燃料処理装置６４）および／または装置８０等と通信する追加のセンサやリンクを含んでいてもよい。
【００４２】
制御システム１２０は、制御信号を対応する接続器１００に送信することによって、あるスタックを適用負荷から選択的に分離するためのものである。例えば、センサアセンブリ１２６、他のセンサや検知器、手動観察等による通信によって、あるスタックが許容作動条件から外れて作動していると検知された場合、そのスタックは適用負荷から分離されてもよい。
【００４３】
各燃料電池スタック７６がそれぞれ１つずつDC‐DC変換器を有する燃料電池システムの実施例においては、あるスタックが適用負荷に対して基準以下の電力を供給している場合、それぞれのDC‐DC変換器が自動的に対応するスタックを分離するようにしてもよい。例えば、選択された最低電圧を超える電圧を有する電流７８がある特定のDC‐DC変換器に送られてこない場合、そのDC‐DC変換器は、そのDC‐DC変換器に係る接続器１００、適当な接続器または他の切換器を作動させる等して、該当するスタックを自動的に適用負荷から分離する。
【００４４】
制御システム１２０は、アセンブリ７７を形成するスタックのうちの１つ或いはそれ以上に搬送される水素ガス、空気および／冷却液の流れを選択的に調節または遮断するために追加的に或いは代替的に使用されてもよい。例えば、ある特定のスタックに対する水素および空気、および場合によっては冷却液の流れは、そのスタックが電流を生成しないように遮断されてもよい。通常、対応する接続器１００もまたスタックを原料および適用負荷から分離するために作動される。制御システム１２０は、水素ガス流に異物の混入が認められた場合、汚染された水素ガスがスタックに搬送されるのを防ぐために、前記スタックのうち１つ或いはそれ以上を分離してもよい。
【００４５】
また、総電量４ｋWまたは正味電量３ｋWに定格された住居用の燃料電池システムの一例を再び参照して、負荷が実質的に３ｋWより少ない値までの減少を要求する場合、燃料電池制御装置は、スタック７６のうち１つ或いはそれ以上の作動を止めて分離するように信号を送ってもよい。特に、通常の住居用家庭において、深夜および正午等の電力消費が最小である期間中は、４つの燃料電池スタックのうち４つまでが作動を止めるように、且つ、電気的に分離されるように信号が送られ、最小電力要求量の期間中は、正味電力出力をその住居の最小負荷要求に必要なだけの１ｋWより少なくする。この例において、家庭における最小電力消費期間が毎日１２時間ずつあり、且つ、その最小負荷を満たすために１ｋWスタックが１つだけオンラインであればよい場合は、前記４つの燃料電池スタックのうち３つをオフラインとすることで効果的に前記スタックの寿命を６０％増やすことができる（４日周期では、それぞれの燃料電池スタックは終日を一回と半日を３回作動するか、９６時間ごとに６０時間ずつ作動する）。
【００４６】
寿命の増加は、ある特定のスタックがオフラインである全システム作動時間のパーセンテージに比例するものである。制御装置１２２を、所定周期に従って使用から取り除くべきスタックを選択するようにしてもよいし、或いは、そのようなスタックを任意に選択されるようにするか、またはそのようなスタックを交代させるようにしてもよい。所定周期はある特定のスタックの作動時間を最大化する反面、他のスタックの寿命を最小限にする。このような状況では、作動時間を最大化されたスタックは他のものより早く故障することとなるが、取替えが必要となるのはこの特定のスタックのみである。１時間毎、１日毎、１週毎等の合理的周期において、スタックは順次交代してオンラインとなる特定のスタックとなり、全スタックの全体作動時間はほぼ同じとなる。つまり、全てのスタックがほぼ同時期に取替えが必要となり、この場合、所定周期構成のうちの１つの作動時間が最大化されたスタックを取り替えるよりもかなり長い時間が取替えに必要となる。
【００４７】
制御システム１２０は、制御装置に接続されたユーザインターフェース１３０を備えていてもよい。ユーザインターフェース１３０は、ユーザが制御装置の動作を監視および／または対話することを可能にする。ユーザインターフェース１３０の一例を図１２に示す。図にあるように、インターフェース１３０は、情報をユーザに提示するために、画面１３４を具備した表示部１３２または他の適当は表示機構を含む。例えば、表示部１３２は、１つ或いはそれ以上のセンサアセンブリ１２６によって計測された最新の値、システム６０または装置８０の閾値および実際の作動条件、前記スタックアセンブリおよびそこに含まれるそれぞれのスタックに対する適用負荷、前記スタックの電位および他の作動条件等を表示する。前回計測された値もまた表示されてもよい。前記燃料処理システムの作動および性能に関する他の情報もまた表示部１３２に表示されてもよい。
【００４８】
ユーザインターフェース１３０は、ユーザが制御装置と通信するためのユーザ入力装置１３６をもまた備えてもよい。例えば、入力装置１３６は、燃料電池システムの作動状態を変更するためのコマンドを入力できるようにし、そうすることによって、システムに記録された閾値および／または作動条件を変更することができ、および／または前記システムの前回のまたは最新の作動条件を、前記制御装置に要求することができる。入力装置１３６は、回転式ダイアル、スイッチ、押しボタン、キーパッド、キーボード、マウス、タッチスクリーン等のユーザ入力を受け取るための適当な装置を含んでいてもよい。また、図８にも示されているのが、閾値が許容範囲を越えて燃料電池スタックが分離された場合、ユーザに警告するユーザ警報装置１３８である。ユーザ警報装置１３８はアラーム、ライト、またはユーザに警告するための他の適当な１つ或いはそれ以上の機構を含んでいてもよい。
【００４９】
本発明の請求の範囲においては、燃料電池システムはユーザインターフェースを具備しない制御装置を含んでいてもよく、又、ユーザインターフェースは必ずしも上述の要素全てを含む必要は無い。上述の要素は、集合的に図１２に概略的に示されているが、本発明の請求の範囲においては、それらは別々に備えられてもよい。例えば、ユーザインターフェースは、それぞれが上述のユーザ情報のうち１つ或いはそれ以上を表示するように多数の表示部を含んでいてもよい。同様に、単一のユーザ入力装置を使用してもよい。このような入力装置は、ユーザに所望の値を入力するように促す、または、ユーザが入力画面間でトグルすることを可能にする１つの表示部を含んでいてもよい。
【００５０】
制御システム１２０は、燃料電池スタックアセンブリ７７および／またはアセンブリ７７を形成する各スタック７６に適用されるピーク時の負荷の大きさ、つまり、最大要求電力出力を制限するように構成されている。このような負荷制限は前記制御システムの機能に加えてもよいし、前記機能に代わるものであってもよい。燃料電池システムに適用されるピーク負荷を制限することは、システムを各スタックまたはスタックアセンブリの定格電力出力を超える、或いはスタックアセンブリのある特定時の有効定格電力出力ピークを超える負荷が適用されるという損害から前記システムを保護することとなる。このような負荷制限は、スタックアセンブリに対する適用負荷を満足することが要求される最大要求電力出力より小さい全定格電力出力を有する燃料電池スタックアセンブリ７７の使用を追加的に可能にする。換言すれば、負荷制限は、それぞれがより小さな定格電力出力を有する燃料電池スタック７６の使用を可能にし、また、このことはより大きな定格電力出力を有するスタックを使用するよりも安価である。
【００５１】
システム６０が、インバータ８５を具備した電力管理モジュール８１を有するような用途においては、システム１２０による各負荷管理制御によって、エレクロトニクス回路をより小さいピーク電力用に設計することができ、このことが結果的に省コストとなる。このような負荷管理制御は、特に装置８０が過半数或いは大部分の時間を中間電力出力にて作動し、その時間のうちで最大要求電力出力が必要とされるのは僅かな割合という場合に有効である。このような装置８０の一例は家庭であって、家庭では２００〜３００ワットから１３〜１５ｋWの範囲の負荷をシステム６０に適用する。しかしながら、午前および午後の１〜２時間のピーク時を除いては、家庭はその最大要求電力出力よりもかなり少ない負荷を通常適用する。
【００５２】
引き続き、住居用燃料電池システムの一例として、負荷管理制御は家庭におけるピーク負荷の大きさを減少させる（管理する）ために燃料電池システムとともに効果的に使用できる。これは、大部分の民生用機器（乾燥機、食器洗浄器、ドライヤ、電子レンジ、コーヒーメーカ等）が差し込まれる複数の切換モジュール１４０をもって達成される。複数の切換モジュール（集合的に切換モジュールアセンブリと呼ぶ）は、お互いに、または、制御装置１２２と、或いはそれら両方と接続されており、より高い優先順位にある負荷（機器）を認識可能であり、且つ、より低い優先順位にある機器に電源を切るように信号を送ることが可能である。例えば、電子レンジのような高優先順位の機器は、全家庭負荷要求を著しく増加することなく使用されるように、低優先順位の機器（例えば、食器洗浄器または衣類乾燥機）に電源を切るように信号を送るようにしてもよい。前記信号は前記切換モジュールを通じて生じるが、このような切換モジュールは、機器に組み込んでもよいし一体化されていてもよく、或いは、機器が差し込まれるための別のモジュールとして使用されてもよい。各切換モジュール１４０は、他の切換モジュールと無線信号または現存の家庭内配線を通じて電気信号によって通信してもよい。適した通信リンクであれば特に限定はされないが、現行の有線を介しての周波数スクランブル通信は特に効果的である。追加的にまたは代替的に、各切換モジュールは、制御装置１２２と接続していてもよく、これが機器の選択的オン／オフ構成（作動状態）を可能にする。前記優先順位、つまり各装置または関連付けられているモジュールの階層性は、それぞれの切換モジュール（高優先順位モジュール、低優先順位モジュール、中間優先順位モジュール等）毎に前もって決定しておくか、または、制御システムまたは切換モジュールアセンブリに記録された仕組み等の適当な仕組みによって定められる。
【００５３】
複数の負荷制限コントロールを有する装置８０の一例を図１３に示す。図において負荷制限コントロールは集合的に符号１４２で示される。図に示すとおり、装置８０は、それぞれ切換モジュール１４０を含む或いは切換モジュール１４０と通信する装置８０ ₁ 〜８０ ₄ を備える。図において、各モジュール１４０は、お互いに通信リンク１４４を介して通信し、且つ、追加的にまたは代替的に通信リンク１２４を介して制御装置１２２と通信する。
【００５４】
家庭におけるピーク電気負荷を管理することは、結果としてピーク負荷要求の減少になる。例えば、引き続き同じ例において、一家庭は１０〜１５ｋWの最大要求電力出力を有する。このような最大要求電力出力であれば、その２５％、５０％或いはそれ以上が、負荷制限コントロールの使用によって減少される。例えば、最大要求電力出力は、４〜８ｋWの範囲まで減少され得る。結果として、前記燃料電池システムは、燃料電池スタックをより低い全電力出力にて効果的に使用することができ、且つ、実質的に小型化される。従って、顕著な省コストが可能である。
【００５５】
本発明の制御システムおよび負荷制限コントロールを含む燃料電池システムは、上述の住居用家庭以外のエネルギ消費装置に適用できる。他の適当な装置の例としては、商業用建物、自動車、電磁波リレーステーション、照明、機械機器、道具類、通信機器、信号装置および上述の他の装置が挙げられる。
【００５６】
先に述べたとおり、燃料処理装置６４は水素ガスを生成するものであれば特に限定されない。好ましくは、前記燃料処理装置は、実質的純水素ガスを生成するように構成され、より好ましくは、純水素ガスを生成するように構成される。本発明の目的において、実質的純水素ガスとは、その９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９９％以上、さらにより好ましくは９９．５％以上が水素ガスであるものをさす。適した燃料処理装置は米国特許第５，９９７，５９４号および第５，８６１，１３７号、係属中の米国特許出願第０９／２９１，４４７号（出願日：１９９９年４月１３日、発明の名称：「燃料処理システム（Fuel Processing System）」および米国特許仮出願第６０／１８８，９９３号（出願日：２０００年３月１３日、発明の名称「燃料処理装置（Fuel Processor）」に開示されているものが挙げられ、各文献の開示内容全体をここに引用したものとする。
【００５７】
適した燃料処理装置の例としては、水蒸気改質器が挙げられる。適した水蒸気改質器の一例を符号１５０として図１４に示す。改質器１５０は、水蒸気改質触媒１５４を含む改質または水素生成部１５２を含む。或いは、改質器１５０は、自熱改質触媒を含む自熱改質器であってもよい。改質部１５２では、改質水蒸気１５６が水および原料流６８を形成する炭素含有原料から精製される。改質水蒸気は通常水素ガスおよび不純物を含むため、分離部、つまり、精製部１５８に搬送され、そこで水素ガスが精製される。分離部１５８では、適当な圧力駆動型分離工程によって、水素含有流が、図において集合的に符号１６０で示される１つ或いはそれ以上の副生成物流と水素リッチ流１６２とに分離される。図１４においては、生成水素流６６を形成している状態の水素リッチ流１６２が示されている。
【００５８】
分離部１５８としての使用に適した構成の例として、１つ或いはそれ以上の水素透過型金属膜を含む膜モジュール１６４が挙げられる。複数の水素選択的金属膜から形成される膜モジュールの適例は、米国特許出願第０９／２９１，４４７号（出願日：１９９９年４月１３日、発明の名称：「燃料処理システム（Fuel Processing System）」に開示されており、この米国出願の開示内容全体をここに引用したものとする。上述の米国出願においては、複数の概ね平坦な膜が組み合わされて１つの膜モジュールを形成するが、この膜モジュールは複数の流路を有しており、これら流路を介して不純ガス流が複数の膜へ搬送され、純ガス流が複数の膜から供給され、且つ、副生成物流が複数の膜から除去される。可撓性黒鉛ガスケットのような複数のガスケットが供給および透過流路の周りを密閉するために使用される。上述の出願にも開示されている管状水素選択膜を使用してもよい。他の適した膜および膜モジュールは、米国特許出願第０９／６１８、８６６号（出願日：２０００年７月１９日、発明の名称「水素透過型金属膜および水素透過型金属膜の製造方法（Hydrogen-Permeable Metal Membrane and Method for Producing the Same）」）に開示されており、この米国出願の開示内容全体をここに引用したものとする。
【００５９】
前記薄型平坦な水素透過型膜は、好ましくはパラジウム合金からなり、特に３５重量％〜４５重量％の銅を含むパラジウムからなる。これらの膜或いは水素透過型膜は、通常、厚さ０．００１インチの箔より形成される。しかしながら、本発明の範囲においては、これらの膜は水素選択型金属および前記以外の金属合金；水素透過型・選択型セラミック；または炭素組成物から形成されてもよい。各膜は、上述のものより大きいまたは小さい厚みのものであってよい。例えば、膜を圧延、スパッタリング、またはエッチングにより薄くして、水素流量をその薄さに併せて増加させてもよい。前記水素透過型膜は、適した構成に変更可能である。例えば、上述の米国出願に開示されているように、対となって共通の透過流路の周りに配置されるようにしてもよい。前記水素透過型膜も、例えば上述の米国出願に開示されているような管状等の他の構成をとってもよい。
【００６０】
分離部１５８における使用に適した圧力分離工程の他の例としては、圧力旋回吸着（PSA）が挙げられる。圧力旋回吸着（PSA）工程では、気体不純物は水素ガスを含有する流れから除去される。PSAは、ある種の気体は固有の温度および圧力条件下では他の気体より強力に吸着材に吸着されるという原理に基づいている。通常、吸着され改質流１５６から除去されるのは不純物のほうである。PSAの水素精製への使用は、吸着材の不純ガス（CO、CO₂、CH₄やN₂を含む炭化水素等）に対する比較的強い吸着力によって成立している。水素は僅かにしか吸着されないので、水素ガスは吸着ベッドを透過し、不純物は前記吸着材上に保持される。NH₃、H₂SおよびH₂O等の不純ガスは吸着ベッドに強力に吸着され、他の不純物と共に流れ１５６から除去される。吸着材が再生され、これらの不純物が流れ１５６中に存在する場合、これら不純物を吸着剤から除去することの方がより困難であるため、分離部１５８はこれら不純物を流れ１５６の吸着剤への搬送に先立って除去するように構成された装置を備えることが好ましい。
【００６１】
不純ガスの吸着は昇圧したときに生じる。圧力が低下されると不純物は吸着材から脱着され、吸着材は再生される。通常、PSAは周期的な工程であって、連続的（バッチ式の反対として）運転のために少なくとも二つのベッドを必要とする。吸着ベッドにおける使用に適した吸着材の例としては、活性炭素およびゼオライトが挙げられ、特に５Å（５オングストローム）ゼオライトが挙げられる。前記吸着材は、通常、ペレット状であり、従来型の充填層構成を採用する円柱状圧力容器中に配置される。しかしながら、他の適した吸着材組成物、形態および構成を使用してもよい。
【００６２】
改質器１５０は、さらに、図１５に示すようなポリシング部１６８を含んでもよいが、必ずしもこれが必要というわけではない。ポリシング部１６８は、分離部１５８からの水素リッチ流１６２を受け取り、さらに、そこに含まれる選択された組成物の濃度を薄めることによって、或いは、そこに含まれる選択された組成物を除去することによって精製する。例えば、流れ１６２がアセンブリ７７等の燃料電池スタックアセンブリにおいて使用される予定の場合、一酸化炭素または二酸化炭素のように燃料電池スタックに損害を与える可能性のある組成物は、水素リッチ流から除去される。一酸化炭素の濃度は、制御システムが燃料電池スタックを分離しないように１０ｐｐｍ以下でなければならない。好ましくは、前記システムは一酸化炭素の濃度を５ｐｐｍ以下、さらに好ましくは１ｐｐｍ以下に抑える。二酸化炭素の濃度は、一酸化炭素の濃度より高くても良い。例えば、２５％二酸化炭素以下の濃度は許容範囲である。好ましくは、前記濃度は１０％以下、さらに好ましくは１％以下である。特に好ましい濃度は、５０ｐｐｍ以下である。ここに提示される許容最小濃度は説明のための例示であって、ここに提示する以外の濃度も使用可能であり、且つ、本発明の請求の範囲内にある。例えば、あるユーザや製造業者たちは、ここに示したものとは異なる最小または最大の程度の範囲を必要とすることもある。
【００６３】
ポリシング部１６８は、選択された組成物の流れ１６２中の選択された組成物の濃度を除去する或いは減少する構成として適した構成を備えることができる。例えば、生成物流が、その流れが決定濃度以上の一酸化炭素または二酸化炭素を含有すると損害を受けるようなPEM燃料電池スタックまたは他の装置においてされる予定の場合、少なくとも１つのメタン生成触媒ベッド１７０を備えることが好ましい。ベッド１７０は、一酸化炭素および二酸化炭素をメタンおよび水に変換する。これらメタンおよび水はPEM燃料電池スタックを損傷しない。ポリシング部１６８は、未反応原料を水素ガスに変換するために、もう１つの改質触媒ベッド等のもう１つの水素生成装置１７２を含んでいてもよい。このような実施例において、メタン生成触媒ベッドの下流に二酸化炭素または一酸化炭素を持ち込むことがないように、メタン生成触媒ベッドの上流に第２の改質触媒ベッドが存在することが好ましい。
【００６４】
水蒸気改質器は、通常２００〜７００℃の範囲の温度下および５０〜１０００ｐｓｉの範囲の圧力下で作動するが、使用する燃料処理装置の種類や構成によっては、この範囲以外の温度も本発明の請求の範囲内である。この熱を供給するためには、加熱器、バーナ、燃焼触媒等の適当な加熱の仕組みまたは装置が使用可能である。加熱アセンブリは前記燃料処理装置に外装されていてもよいし、または、前記燃料処理装置の一部を形成する燃焼室を形成してもよい。前記加熱アセンブリのための燃料は、燃料処理システム若しくは燃料電池システムから、外部原料から、またはこれらの両方から供給される。
【００６５】
図１４および図１５に示す改質器１５０は上述の組成物が含有されるシェル１５１を含む。ハウジングと呼ぶこともあるシェル１５１は、改質器１５０のような燃料処理装置を装置ごと移動することを可能にする。また、シェル１５１は、保護囲壁を提供することにより燃料処理装置の部品を損傷から保護し、また、燃料処理装置の部品が装置ごと加熱されることにより燃料処理装置の加熱要求を減少する。シェル１５１は、固体絶縁物、ブランケット絶縁材、または空気を充填されたキャビティ等の絶縁材１５３を含んでもよいが、これは必要不可欠ではない。本発明の請求の範囲においては、改質器はハウジングまたはシェル無しで形成されうる。改質器１５０が絶縁材１５３を備える場合、絶縁材はシェルの外部、内部、または両方に配置される。絶縁材が上述の改質部、分離部、および／またはポリシング部を含むシェルの外部にある場合、燃料処理装置は、さらに外カバーまたはジャケットを絶縁材の外部に備える。
【００６６】
１つ或いはそれ以上の前記部品が前記シェルを超えて延在するか、或いは、少なくともシェル１５１の外部に配置されるということもさらに本発明の請求の範囲内にある。例えば、図１５に概略的に示すように、ポリシング部１６８はシェル１５１であってもよいし、および／または、改質部１５２の一部がシェルよりさらに外部にあってもよい。これらの構成を実際に含む燃料処理装置の他の例は、参考として引用する文献に示され、且つ、ここにおいてより詳細に記載されている。
【００６７】
先に述べたとおり、本発明によれば、燃料電池システムは、追加的にまたは代替的に、燃料処理装置に関する部分的または全体的な冗長性を備える。このようなシステムの一例を符号１８０として図１６に示す。図に示すとおり、システム１８０は、複数の燃料処理装置６４を含む燃料処理アセンブリ６２を備える。前記燃料電池システムが少なくとも二つの燃料処理装置を備えること、且つ、２つ以上の燃料処理装置を備えていてもよいことを示すために、前記燃料処理装置は６４ ₁ 〜６４ _n として示されている。ｎは最低２であって、２〜１ダース或いはそれ以上から選ばれる数である。同様に、図に示されるシステム１８０は各燃料電池スタック７６の冗長性をもまた有するが、システム１８０は１つのスタック７６のみを有していてもよい。
【００６８】
前記の開示内容は、独立した用途を有する多数の異なる発明を含んでいる。これら発明のそれぞれが、好ましい形態として開示されているが、ここに開示され例証として示された実施例は、本発明を限定するものではなく、種々の変更が可能である。本発明の主題は、ここに開示された種々の要素、特徴、機能および／または性能の新規且つ非自明な組合せや準組合せを含んでいる。同様に、請求項に「１つの」または「第一の」要素、或いはそれと均等のものが記載されている場合、このような請求項は、それら要素のうちの１つ或いはそれ以上のものを合併したものを含むのであって、それら要素が二つ以上あることを必要とするのでもなければ、除外するのでもない。
【００６９】
各請求項は、開示された発明のうちの１つに関する組合せや準組合せを特に指し示しており、且つ、新規で非自明である。特徴、機能、要素および／または性能の他の組合せや準組合せは、本出願または関連出願においての現請求項の補正または新請求項の提示によって請求される。このような補正や新請求項は、それらが他の発明に関するものでも或いは同じ発明に関するものでも、現請求項の範囲と比べて異なる、広い、狭い或いは等しいものであっても、本件開示内容の発明の主題に含まれるものとみなされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の燃料電池システムを示す概略図である。
【図２】 従来の燃料電池システムを示す概略図である。
【図３】 従来の燃料電池スタックを示す概略図である。
【図４】 本発明の燃料電池システムを示す概略図である。
【図５】 本発明の別の燃料電池システムを示す概略図である。
【図６】 図５の電力管理モジュールを示す概略図である。
【図７】 本発明の別の燃料電池システムを示す概略図である。
【図８】 本発明の別の燃料電池システムを示す概略図である。
【図９】 本発明の別の燃料電池システムを示す概略図である。
【図１０】 本発明の制御システムを備えた燃料電池システムを示す概略図である。
【図１１】 本発明の制御システムを備えた別の燃料電池システムを示す概略図である。
【図１２】 本発明の燃料電池システムいずれにも適したユーザインターフェースを示す概略図である。
【図１３】 本発明のエネルギー消費装置を示す部分概略図である。
【図１４】 本発明の燃料電池システムのいずれにも適した燃料処理装置を示す概略図である。
【図１５】 本発明の燃料電池システムのいずれにも適した別の燃料処理装置を示す概略図である。
【図１６】 本発明の別の燃料電池システムを示す概略図である。
【符号の説明】
６０ 燃料電池システム
６２ 燃料処理アセンブリ
６４ 燃料処理装置
６６ 生成水素流
６８ 原料流
７０ 原料搬送システム
７２ 炭素含有原料
７４ 水
７６ 燃料電池スタック
７７ 燃料電池スタックアセンブリ
７８ 電流
８０ エネルギ消費装置
８１ 電力管理モジュール
８２ 燃料電池
８５ インバータ
８６ バッテリアセンブリ
８８ バッテリ
９０ 連動充填器
９２ 切換アセンブリ
９３ DC変換器
９４ 搬送マニホールドアセンブリ
９６ 水素流
９８ バルブアセンブリ
１００ 接続機
１０２ 空気流
１０４ 空気搬送システム
１０６ 空気流
１０８ 冷却液流
１１０ システム
１１２ 冷却液流
１２０ 制御システム
１２２ 制御装置
１２４ 通信リンク
１２６ センサアセンブリ
１３０ ユーザインターフェース
１３２ 表示部
１３４ 画面
１３６ ユーザ入力装置
１３８ ユーザ警報装置
１４０ 切換モジュール
１４４ 通信リンク
１５０ 改質器
１５１ シェル
１５２ 水素生成部
１５３ 絶縁材
１５４ 水蒸気改質触媒
１５６ 改質水蒸気
１５８ 分離部
１６２ 水素リッチ流
１６４ 膜モジュール
１６８ ポリシング部
１７０ メタン生成触媒ベッド
１７２ 水素生成装置

Claims (55)

1. 原料から生成水素流を生成するように構成されている燃料処理アセンブリと、
   前記燃料処理アセンブリからの前記生成水素流の少なくとも一部を受け取り、そこからある大きさの適用負荷を少なくとも部分的に満足する電流を生成する燃料電池スタックアセンブリとを備え、
   前記燃料電池スタックアセンブリは、それぞれが最大定格電力出力を有する複数の燃料電池スタックを含み、
   最大で最大要求電力出力まで供給することにより、適用負荷を満足させるように構成されており、
   前記燃料電池スタックアセンブリが、該最大要求電力出力に少なくとも一致する全定格電力出力を有しており、
   前記燃料電池スタックは、それぞれ、前記生成水素流の少なくとも一部を前記燃料処理アセンブリから受け取りそこから電流を生成する第一作動状態と、前記燃料電池スタックが電流を生成しない第二作動状態とを少なくとも含む複数の作動状態を有し、
   前記燃料電池スタックはそれぞれ前記生成水素流の少なくとも一部を受け取りそこから電流を生成し、
   前記複数の燃料電池スタックの動作状態を選択的に調整するように構成された制御装置を有する制御システムを備えており、該制御装置は、前記適用負荷の大きさに少なくとも部分的に応答して前記複数の燃料電池スタックの動作状態を調整するように構成されており、さらに、前記制御装置は、前記最大要求電力出力を下回る適用負荷に応答して前記第一作動状態から前記第二作動状態に前記複数の燃料電池スタックのうちの少なくとも一つを選択的に設定するように構成されている、燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックは、それぞれ前記生成水素流の少なくとも一部を受け取り、そこから他の燃料電池スタックの前記作動状態に関わらず電流を生成するように構成されている請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池スタックは、それぞれ前記生成水素流の少なくとも一部を受け取り、そこから他の燃料電池スタックの前記作動状態から独立的に電流を生成するように構成されている請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池スタックアセンブリが、前記最大要求電力出力より大きい全定格電力出力を有する請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池スタックアセンブリの全定格電力出力が、少なくとも前記複数の燃料電池スタックのうちの１つの燃料電池スタックの最大定格電力出力分だけ前記最大要求電力出力より大きい請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池スタックアセンブリの全定格電力出力が、少なくとも前記複数の燃料電池スタックのうちの二つの燃料電池スタックの最大定格電力出力の合計分だけ前記最大要求電力出力より大きい請求項４に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池スタックのそれぞれが、少なくとも前記最大要求電力出力と同じくらいの大きさの最大定格電力出力を有する請求項４に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池スタックアセンブリは、前記燃料電池スタック全てが前記生成水素流の少なくとも一部を前記燃料処理アセンブリから受け取りそこから電流を生成する第一作動状態と、前記燃料電池スタックいずれもが電流を生成しない第二作動状態と、前記複数の燃料電池スタックのうちの少なくとも１つが前記生成水素流の少なくとも一部を前記燃料処理アセンブリから受け取りそこから電流を生成し、前記複数の燃料電池スタックのうちの少なくとも１つが電流を生成しない第三作動状態とを少なくとも含む複数の作動状態を有する請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池スタックアセンブリは、前記第三作動状態において、適用負荷を満足するのに十分な電流を生成するように構成されている請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池スタックアセンブリは、前記第三作動状態において、その最大要求電力出力に対応する適用負荷を満足するのに十分な電流を生成するように構成されている請求項８に記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料電池スタックアセンブリは、前記第三作動状態において、その最大要求電力出力を超える適用負荷を満足するのに十分な電流を生成するように構成されている請求項８に記載の燃料電池システム。
12. 適用負荷の大きさを制限する手段をさらに備える請求項１に記載の燃料電池システム。
13. 前記生成水素流の少なくとも一部、空気流および冷却液流を前記複数の燃料電池スタックに選択的に搬送する手段をさらに備える請求項１に記載の燃料電池システム。
14. 前記燃料電池スタックアセンブリが生成する電流を調節する手段をさらに備える請求項１に記載の燃料電池システム。
15. 前記燃料電池スタックアセンブリが生成する電流を受け取りそこから出力電力を生成するように構成されている電力管理モジュールをさらに備える請求項１に記載の燃料電池システム。
16. 前記電力管理モジュールは、電流の電圧を選択的に調節するためのDC‐DC変換器を備える請求項１５に記載の燃料電池システム。
17. 前記変換器は、前記燃料電池スタックアセンブリからの電流を受け取り所定の電圧を有する電流を生成するために前記電流を調節するように構成されている請求項１６に記載の燃料電池システム。
18. 前記変換器は、前記電流の電圧を増加するように構成されている請求項１６に記載の燃料電池システム。
19. 前記変換器は、前記電流の電圧を減少するように構成されている請求項１６に記載の燃料電池システム。
20. 前記電力管理モジュールは、前記燃料電池スタックアセンブリが生成する電流をAC電流に変換するように構成されているインバータを少なくとも１つ備える請求項１５に記載の燃料電池システム。
21. 前記電力管理モジュールは、前記燃料電池スタックアセンブリが生成する電流の少なくとも一部を受け取り選択的に蓄えるように構成されているバッテリアセンブリを備える請求項１５に記載の燃料電池システム。
22. 前記バッテリアセンブリは、少なくとも１つのバッテリと少なくとも１つの充電器を備える請求項２１に記載の燃料電池システム。
23. 前記制御装置は、前記生成水素流の流量に少なくとも部分的に応じて前記複数の燃料電池スタックの前記作動状態を調節するように構成されている請求項１に記載の燃料電池システム。
24. 前記制御システムは、前記燃料電池スタックのそれぞれに係る複数のセンサアセンブリをさらに備え、前記制御装置は前記センサアセンブリからの入力に少なくとも部分的に応じて前記複数の燃料電池スタックの前記作動状態を調節するように構成されている請求項１に記載の燃料電池システム。
25. 複数の接続器を備え、前記燃料電池スタックは、それぞれ、前記複数の接続器と関連付けられており、前記複数の接続器は、それぞれ、前記対応する燃料電池スタックが適用負荷から分離される第一作動状態と、前記対応する燃料電池スタックが適用負荷から分離されない第二作動状態とを少なくとも含む複数の作動状態を有する請求項１に記載の燃料電池システム。
26. 前記制御装置は、前記複数の接続器と通信し、前記接続器の作動状態を選択的に制御するように構成されている、請求項２５に記載の燃料電池システム。
27. 前記生成水素流の少なくとも一部を受け取り、受け取った生成水素流を前記複数の燃料電池スタックに選択的に分配するように構成されているマニホールドアセンブリを備える請求項１に記載の燃料電池システム。
28. 前記制御装置は、前記複数の燃料電池スタックの作動状態を選択的に調節するように構成されており、前記生成水素流の前記複数の燃料電池スタックへの分配を選択的に調節するための前記マニホールドアセンブリと通信する請求項２７に記載の燃料電池システム。
29. 前記マニホールドアセンブリは、さらに、空気搬送システムから空気流を受け取り、受け取った空気流を前記複数の燃料電池スタックへと搬送するように構成されており、前記制御装置は、前記空気流の前記複数の燃料電池スタックへの分配を選択的に調節するように構成されている請求項２８に記載の燃料電池システム。
30. 前記マニホールドアセンブリは、さらに、空気搬送システムから空気流を受け取り、受け取った空気流を前記複数の燃料電池スタックへ選択的に分配するように構成されている請求項２７に記載の燃料電池システム。
31. 前記制御装置は、前記マニホールドアセンブリによる前記複数の燃料電池スタックへの前記空気流の分配を選択的に調節するように構成されている、請求項３０に記載の燃料電池システム。
32. 前記マニホールドアセンブリは、さらに、冷却液搬送システムから冷却液流を受け取り、受け取った冷却液流を前記複数の燃料電池スタックへ選択的に分配するように構成されている請求項２７に記載の燃料電池システム。
33. 前記制御装置は、前記マニホールドアセンブリによる前記複数の燃料電池スタックへの前記冷却液流の分配を選択的に調節するように構成されている、請求項３２に記載の燃料電池システム。
34. 空気流を空気搬送システムから受け取り、受け取った空気流を前記複数の燃料電池スタックへ選択的に分配するように構成されているマニホールドアセンブリをさらに備える請求項１に記載の燃料電池システム。
35. 前記マニホールドアセンブリは、さらに、前記空気流を前記複数の燃料電池スタックのうち第一作動状態にあるもののみに分配するように構成されている請求項３４に記載の燃料電池システム。
36. 前記制御装置は、前記マニホールドアセンブリと通信し、前記燃料電池スタックへの前記空気流の分配を調節するように構成されている請求項３４に記載の燃料電池システム。
37. 冷却液流を空気流搬送システムから受け取り、受け取った冷却液流を前記複数の燃料電池スタックに選択的に分配するように構成されているマニホールドアセンブリをさらに備える請求項１に記載の燃料電池システム。
38. 前記制御装置は、前記マニホールドアセンブリと通信し、前記冷却液流の前記燃料電池への分配を調節するように構成されている請求項３７に記載の燃料電池システム。
39. 前記制御装置は、適用負荷の大きさを選択的に制限するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
40. 前記制御システムは、前記燃料電池スタックアセンブリ内の前記燃料電池スタックの最大定格電力出力の合計に少なくとも部分的に応じて適用負荷の大きさを調節するように構成されている請求項３９に記載の燃料電池システム。
41. 前記制御システムは、前記燃料電池スタックのうち第一作動状態にあるものの最大定格電力出力の合計に少なくとも部分的に応じて適用負荷の大きさを調節するように構成されている請求項３９に記載の燃料電池システム。
42. 前記燃料電池システムが、適用負荷の少なくとも一部を前記燃料電池スタックアセンブリに適用するように構成されているエネルギ消費装置を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
43. 前記エネルギ消費装置は、それぞれが適用負荷の一部を適用するように構成されている複数の装置を備え、前記複数の装置のそれぞれが、少なくとも各装置が適用負荷の一部を適用する第一作動状態と各装置が適用負荷の一部を適用しない第二作動状態とを少なくとも含む複数の作動状態を有する請求項４２に記載の燃料電池システム。
44. 前記複数の装置のそれぞれが切換モジュールを備え、前記切換モジュールは相互に通信し合って前記複数の装置の作動状態を調節するように構成されている請求項４３に記載の燃料電池システム。
45. 前記複数の装置のそれぞれが他の装置に対して優先順位を有し、前記切換モジュールは前記装置の優先順位に少なくとも部分的に応じて前記作動状態を選択的に制御するように構成されている請求項４４に記載の燃料電池システム。
46. 前記燃料電池スタックのそれぞれが複数の燃料電池を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
47. 前記燃料電池スタックのそれぞれが共通の端板の間で接続された複数の燃料電池を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
48. 前記システムは、前記燃料電池スタックのそれぞれに空気流を搬送するように構成されている空気搬送システムをさらに備える請求項１に記載の燃料電池システム。
49. 前記システムは、前記燃料電池スタックのそれぞれに冷却液流を搬送するように構成されている冷却液搬送システムをさらに備える請求項１に記載の燃料電池システム。
50. 前記燃料電池スタックのそれぞれと、前記燃料電池スタックのそれぞれに冷却液を搬送するように構成されている冷却液搬送システムとの間で、冷却液が流れるように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
51. 前記燃料処理アセンブリは少なくとも１つの燃料処理装置を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
52. 前記燃料処理アセンブリは少なくとも１つの水蒸気改質器を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
53. 前記制御装置が、少なくとも部分的に、所定のシーケンスに応じて、前記複数の燃料電池スタックのうちの少なくとも一つのうちのどれが前記第一作動状態から前記第二作動状態に設定されるべきかを選択するように構成されている、請求項１記載の燃料電池システム。
54. 前記制御装置が、少なくとも部分的に、循環して選択されるシーケンスに応じて、前記複数の燃料電池スタックのうちの少なくとも一つのうちのどれが前記第一作動状態から前記第二作動状態に設定されるべきか選択するように構成されている、請求項１記載の燃料電池システム。
55. 前記制御装置が、少なくとも部分的に、所定の時間シーケンスに応じて、前記複数の燃料電池スタックのうちの少なくとも一つが、いつ、前記第一作動状態から前記第二作動状態に設定されるべきかを選択するように構成されている、請求項１記載の燃料電池システム。

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