JP4021880B2 - 燃料電池の調整および温度制御 - Google Patents

Description

本明細書に開示した内容は、燃料電池の電力調整および燃料電池の温度制御に関する。

本出願は、２００３年７月２８日に出願された「Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｏｕｔｐｕｔ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ」（発明者Ｕｌｍｅｒ他）と題する整理番号１０／６２９，１２２を有する譲受人が共通である出願の一部継続出願であり、この出願の内容は、参照により本明細書に組み込まれるものとする。

ほとんどの燃料電池は、温度に大きく依存する出力特性および／または耐久特性を示す。例えば、燃料電池には、電解質が適切に機能する最低動作温度を必要とするものもあり、温度遷移を受けたときに急激に性能が低下するものもある。したがって、実質的な努力は、燃料電池の温度制御に向けられてきた。しかしながら、ほとんどの温度制御方式は、燃料電池と熱交換流体の間の熱交換に依存している。燃料電池の熱交換器の設計は、一般に、複雑であり、特定の空気および燃料の流量条件に最適化されている。そのような方式は、本質的に、熱伝達現象に依存し、この現象は、温度制御を遅延させるかなりの時定数を導入することがある。したがって、熱伝達現象に関連した遅延時間を少なくする温度制御方式が必要である。本明細書で説明するように、様々な例示的な配列および／または方法が、燃料電池効率の温度制御および／または燃料電池効率の制御を実現することができる。

本発明の１つの課題は、燃料電池のより迅速な温度制御を実現することである。

例示的なシステムは、電気出力を提供することができる第１の燃料電池と、電気出力を提供することができる第２の燃料電池と、切り換え回路であって、第１の燃料電池の電気出力と第２の燃料電池の電気出力を並列または直列に配列し、それにより、電気出力効率と熱発生を調整するための１つまたは複数のスイッチを含む、切り換え回路とを備える。

以下の詳細な説明では、例示的な燃料電池、例示的な燃料電池の電気的配列または構成、および例示的なコントローラについて説明する。また、そのような例示的な燃料電池、例示的な燃料電池配列、または例示的なコントローラを動作させまたは使用するための様々な例示的な方法についても説明する。

燃料電池
燃料電池は、荷電化学種（charged species）を移動させるためにイオン伝導電解質を使用して燃焼なしに燃料と酸化剤を電気化学的に反応させることによって電気と熱を発生させることができる。代表的な燃料電池は、燃料（例えば、水素、天然ガス、メタノールなど）と酸化剤（例えば、酸素）に蓄えられたエネルギーの変換によって電圧を発生させることができる。

図１は、従来技術の固体酸化物型燃料電池（solid oxide fuel cell）１００を示す。燃料電池１００は、アノード（陽極）１１０、カソード（陰極）１１４、および電解質１１８を含む。アノード１１０とカソード１１４は電極であり、電解質１１８は、一種の膜として働く。燃料電池１００の代表的な動作では、空気などの酸化剤含有ガスが、「空気極（air electrode）」と呼ばれることがあるカソード１１４に提供され、燃料が、「燃料極（fuel electrode）」と呼ばれることがあるアノード１１０に提供される。例えば、カソード１１４は、（空気から）酸素を受け取ることができ、アノード１１０は、水素（および、オプションとして、一酸化炭素、メタン、その他の炭化水素）を受け取ることができる。この例では、酸素と水素が反応して水になる。この反応は、発熱を伴い、関連した電位を有し、それにより燃料電池１００は、電位にしたがって電子に流路を提供する。

電解質１１８は、燃料電池１００の動作に不可欠である。前述のように、電解質１１８は、例えばイオン伝導膜などの一種の膜として働く。所与の例において、電解質１１８は、酸素イオン伝導膜である。燃料としてＨ_２を使用する場合、電子の除去によって、アノード１１０において各Ｈ_２分子から２つのプロトン即ち水素イオンができる。電子流路即ち回路１２４が、これらの電子をカソード１１４で使用可能にし、カソード１１４は、Ｏ_２から酸素イオンの形成を促進するのを支援する。酸素イオンは、電解質１１８とアノード１１０を通るかまたは浸透し、そこで、酸素イオンは、プロトン即ち水素イオンと共に水を形成する。電気化学的プロセスは、以下の反応式によって表すことができる。

温度２５℃、圧力１ＡＴＭにおいて、反応式による水素酸素燃料電池は、約１．２ＶのＥＭＦ（起電力）を有する。

一般的に、電解質は、所望のイオン（性）化学種の輸送率が高くかつ望ましなくない化学種の輸送を阻止しなければならない。様々なセラミックス（例えば、エレクトロセラミックス）が、電解質として使用するのに適した特性を有する。例えば、「ファストイオン伝導体（fast ion conductor）」、「ラピッドイオン伝導体（rapid ion conductor）」、または「超イオン伝導体（superionic conductor）」と呼ばれることがある一群のエレクトロセラミックスは、所望のイオン種の高い輸送率を支援することができる。酸素イオンイオン伝導膜に一般に使用されているセラミックは、イットリア安定化ジルコニア（yttria stabilized zirconia：ＹＳＺ）である。ＹＳＺ電解質が十分な酸素イオン伝導率を提供するためには、薄い電解質（例えば、約１０μｍより薄い）の場合でも、かなり高い温度が必要である（例えば、一般に７００℃よりも高い）。当然ながら、そのような高温での動作には、多くのコストが必要になる。例えば、燃料電池ハウジングとして高価な合金（例えば、超合金など）が必要になる場合があり、それにより大幅にコストが高くなる。また、そのような動作温度での応力が、アノード、カソードおよび／または電解質を劣化させ、それによりコストが増大することがある。例えば、カソードは、電解質と異なる熱膨張率を有する場合がある。そのような状況では、大きなせん断応力が、カソードと電解質の界面に生じ、カソードおよび／または電解質の微小破壊を引き起こすことがあり、それは、境界面の接触面積を小さくしかつ／または電解質が不要な化学種を阻止する能力を低下させることがある。

更に、動作温度および／または温度サイクルが、アノード、カソードおよび／または電解質の特性に有害な影響を与えることがある。例えば、アノード内の１つまたは複数の金属成分は、ある温度よりも高い温度で塊になる傾向がある。また、温度および／または酸化還元サイクルが、凝集を促進することがある。凝集は、固体酸化物型燃料電池のＮｉ−ＹＳＺサーメットアノードに生じ、また一般に電流密度や燃料利用率などの要因と関連することが知られている。例えば、アノードと電解質間の界面または三相境界（three-phase-boundary：ＴＰＢ）を最大にするには、均一に分散させたニッケル粒子が望ましい。凝集は、アノード全体にわたって生じ、「粒子サイズ」を増大させ粒子分布の均一性を低下させる。このような作用が、有効なＴＰＢを減少させ、それにより陽極損が増大する。最後に、粒子間（または集塊間）の導電性を完全に損なう異種分布が生じることがある。

集塊が、酸化時に電極を更に劣化させることがある。酸化は、一般に、冷却の際と冷却後に行われる（例えば、燃料電池の動作サイクルの一部として）。Ｎｉ−ＹＳＺサーメットアノードでは、Ｎｉ粒子または集塊は、一般に、冷却の際および／または冷却後に酸化する。酸化時に、粒子または集塊はサイズが増大する。いくつかの加熱および冷却サイクルの後で、粒子または集塊が、この例ではセラミックＹＳＺマトリクス上に大きな力（例えば、応力）を及ぼすほど大きくなることがある。したがって、酸化および／または凝集によって、マトリクスが劣化または破壊し、電極が動作不能になったり著しく非効率的になったりすることがある。したがって、背景技術の節で述べたように、燃料電池のより適切な温度制御が必要である。また、より適切な温度制御は、温度サイクルおよび／または動作温度の他の変動と関連した様々な有害作用を最小限に抑えるのに役立つことがある。

固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）では、ニッケルＹＳＺのサーメットと呼ばれることもあるセラミックと金属の合成物は、アノードとして働き、ストロンチウムドープド亜マンガン酸ランタン（Sr-doped lanthanum manganite：Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３）が、カソードとして働くことがある。当然ながら、アノード１１０またはカソード１１４に様々な他の材料を使用することができる。適切な電圧を発生させるために、複数の燃料電池を集めてアレイまたは「スタック」が構成されることがある。スタックでは、アノードとカソードを接合するために相互接続がしばしば使用され、例えば、ドープド亜クロム酸ランタン（doped lanthanum chromite）（例えば、Ｌａ_０．８Ｃａ_０．２ＣｒＯ_３）を含む相互接続が使用されることがある。当然ながら、他の材料が適切なことがある。

燃料電池は、固体酸化物型燃料電池（solid oxide fuel cell：ＳＯＦＣ）、プロトン伝導セラミック燃料電池（proton conducting ceramic fuel cell）、アルカリ燃料電池（alkaline fuel cell）、高分子電解質膜（polymer electrolyte membrane：ＰＥＭ）燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池（molten carbonate fuel cell）、固体酸燃料電池（solid acid fuel cell）、直接メタノール型ＰＥＭ燃料電池（direct methanol PEM fuel cell）、および他のもの（例えば、下の他の例を参照）のうちの１つでよいことを理解されたい。本明細書に示した様々な例示的な燃料電池は、固体酸化物型燃料電池である。

電解質は、任意の適切な材料で形成することができる。本明細書に示したような様々な例示的な電解質は、酸素イオン伝導膜電解質（oxygen ion conducting membrane electrolyte）、プロトン伝導電解質（proton conducting electrolyte）、カーボネート（ＣＯ_３ ^２−）伝導電解質、ＯＨ⁻伝導電解質、水素化物イオン（Ｈ⁻）伝導電解質、およびこれらの混合物のうちの少なくとも１つである。水素化物イオン電解質燃料電池に関しては、最近、溶融水素化物電解質燃料電池（molten hydride electrolyte fuel cell）の進歩が実証された。

更に他の電解質の例は、立方体蛍石構造電解質（cubic fluorite structure electrolyte）、ドープド立方体蛍石電解質（doped cubic fluorite electrolyte）、プロトン交換重合体電解質（proton-exchange polymer electrolyte）、プロトン交換セラミック電解質（proton-exchange ceramic electrolyte）、およびこれらの混合物のうちの少なくとも１つである。更に、電解質の例は、イットリア安定化ジルコニア（yttria-stabilized zirconia）、サマリウムドープドセリア（samarium doped-ceria）、ガドリニウムドープド／セリア（gadolinium doped-ceria）、Ｌａ_ａＳｒ_ｂＧａ_ｃＭｇ_ｄＯ_３−δ、およびこれらの混合物のうちの少なくとも１つであり、これらは、固体酸化物型燃料電池に使用するのに特に適していることがある。

アノードとカソードは、特定の最終用途によって要求されかつ／または必要とされるような、任意の適切な材料から形成することができる。様々なアノードおよび／またはカソードの例は、金属（１つ又は複数）、セラミック（１つ又は複数）、およびサーメット（１つ又は複数）のうちの少なくとも１つである。アノードに適している可能性のある金属のいくつかの非限定的な例には、ニッケル、銅、白金、およびこれらの混合物のうちの少なくとも１つがある。アノードに適している可能性があるセラミックスのいくつかの非限定的な例には、Ｃｅ_ｘＳｍ_ｙＯ_２−δ、Ｃｅ_ｘＧｄ_ｙＯ_２−δ、Ｌａ_ｘＳｒ_ｙＣｒ_ｚＯ_３−δ、およびこれらの混合物のうちの少なくとも１つがある。アノードに適している可能性のあるサーメットのいくつかの非限定的な例には、Ｎｉ−ＹＳＺ、Ｃｕ−ＹＳＺ、Ｎｉ−ＳＤＣ、Ｎｉ−ＧＤＣ、Ｃｕ−ＳＤＣ、Ｃｕ−ＧＤＣ、およびこれらの混合物のうちの少なくとも１つがある。

カソードに適している可能性のある金属のいくつかの非限定的な例には、銀、白金、ルテニウム（ruthenium）、ロジウム（rhodium）、およびこれらの混合物のうちの少なくとも１つがある。カソードに適している可能性のあるセラミックスのいくつかの非限定的な例には、Ｓｍ_ｘＳｒ_ｙＣｏＯ_３−δ、Ｂａ_ｘＬａ_ｙＣｏＯ_３−δ、Ｇｄ_ｘＳｒ_ｙＣｏＯ_３−δのうちの少なくとも１つがある。

効率と電池出力
燃料電池の理論上の熱力学的効率（η_{Ｔｈｅｒｍｏ}）は、供給される燃料のギブス自由エネルギー（ΔＧ_ｆ）と生成エンタルピー（ΔＨ_ｆ）の比率に基づいて決定することができる。

生成物が水の場合、生成エンタルピーは、液体に対応する「高位発熱量」（ＨＨＶ：higher heating value）または蒸気（例えば、水蒸気）に対応する「低位発熱量」（ＬＨＶ：lower heating value）として与えられることがある。熱力学的効率（η_{Ｔｈｅｒｍｏ}）は、一般に、温度と関連したギブス自由エネルギーの減少により（例えば、自由エネルギー方程式の温度とエントロピーの項により）、温度が高くなるほど下がる。図２は、水素利用率に関する理論的熱力学的効率と温度との関係を表すグラフ２００を示す。

電池の最大ＥＭＦと最大効率は関係しており、したがって、動作電圧と効率は関係している。水素燃料の場合、水素燃料の全てのエネルギー（例えば、発熱量、熱量、生成エンタルピー）が電気エネルギーに変換された場合は、ＥＭＦ（例えば、開路電圧）は次の式で与えられる。

ＥＭＦ＝−ΔＨ_ｆ／２Ｆ （２）

ここで、係数「２」は、移動された電子の数、Ｆは、ファラデー定数（９６，４８５クーロン）である。ＨＨＶが使用される場合は、ＥＭＦは約１．４８Ｖであり、一方、ＬＨＶが使用される場合は、ＥＭＦは約１．２５Ｖである。

また、燃料電池の実際のＥＭＦ効率は、ＥＭＦ値に関して次のように示すことができる。

η_Ｃｅｌｌ＝Ｖ_ｃ／ＥＭＦ（ＨＨＶまたはＬＨＶ） （３）

更に、燃料電池は、電池に供給される全ての燃料を使用することはできない。したがって、燃料利用率は、次のように与えることができる。

μ_ｆ＝ｍ_ｆ（反応した）／ｍ_ｆ（供給された） （４）

ｍ_ｆは、電池によって反応された燃料の質量（分子）または電池に供給された燃料の質量（分母）である。したがって、総合効率は、次のように示すことができる。

η_{Ｔｏｔａｌ}＝μ_ｆ＊η_Ｃｅｌｌ （５）

理論的熱力学的効率によれば、ＥＭＦが温度に依存するので、総合効率は、本質的に温度に依存する。しかしながら、他の温度効果を考慮することができる。図３は、電池の出力密度（電力密度）と温度の関係のグラフ３００を示し、このグラフでは、温度が低いほど出力密度が低くなっている。したがって、グラフ３００に示したように、電池の発電性能は、電池温度の低下によって抑制される。更に、一般に、電力が減少すると電池が冷える。

図４Ａは、約７００℃の温度における例示的な燃料電池の電池ＥＭＦ及び出力密度と電流密度の関係を表すグラフ４１０を示す。データによれば、電池ＥＭＦは、電流密度が高くなるほど低下する。出力密度は、電流密度とＥＭＦを掛けたものとして定義され、したがって、出力密度は、電流密度に対してある最大値を示す。この例示的な電池の温度が７００℃よりも高くなると、最初は、出力密度が上昇するが、そのうち電池性能が低下することがある。しかしながら、グラフ３００によれば、温度が下がると、ＥＭＦが大幅に低下し、それゆえ出力密度が下がることになる。

図４Ｂは、約７００℃の温度における例示的な燃料電池の電池ＥＭＦの効率と出力密度の関係を示すグラフ４２０である。グラフ４２０とグラフ４１０によれば、電流密度が高くなるほど電池ＥＭＦが低下し、したがって電池ＥＭＦの効率が低下する。例えば、ＥＭＦ（ＬＨＶ）が１．１５Ｖであると仮定した場合、効率８０％は、ＥＭＦ約０．９Ｖに対応する。グラフ４１０から、そのような電池は、電流密度約０．３６Ａｃｍ^−２と出力密度約０．３Ｗｃｍ^−２で動作することになる。電池が、ＥＭＦ効率６０％またはＥＭＦ約０．７Ｖで動作しているもう１つの例を検討する。グラフ４１０によれば、ＥＭＦ約０．７Ｖは、電流密度約０．６Ａｃｍ^−２に対応し、これは、出力密度約０．４２Ｗｃｍ^−２になる。しかしながら、別のＥＭＦ効率を使用して同じ出力密度を実現することもできる。例えば、ＥＭＦ効率約３０％は、ＥＭＦ約０．３６Ｖと電流密度約１．１８Ａｃｍ^−２に対応する。したがって、計算を容易にするために、電池が１ｃｍ^２を有すると仮定すると、約０．４２Ｗの電力を必要とする負荷には、高ＥＭＦ効率状態または低ＥＭＦ効率状態で動作する電池が電力を供給することができる。高ＥＭＦ効率状態は、高ＥＭＦと低電流に対応し、低ＥＭＦ効率状態は、低ＥＭＦと高電流に対応する。本明細書で説明する種々の電池配列によれば、電池は、オプションとして、高ＥＭＦ効率状態と低ＥＭＦ効率状態の間で切り換えられ、その間、一定の電力出力を維持する。当然ながら、高ＥＭＦ効率状態と比べると、低ＥＭＦ効率状態の方が多くの燃料が利用または消費される。

下の表１は、低効率状態（状態１）と高効率状態（状態２）とに関連した状態をまとめたものである。

表１に示した情報は、選択された電力に関して、選択された電力を達成するために複数の状態が存在できることを示す。図５Ａと図５Ｂは、更に、この原理が、直列電池システムと並列電池システムに当てはまることを示しており、これらのシステムは、後で更に説明するように、オプションとして、直列動作と並列動作の間で切り換えることができる。

図５Ａは、２つの電池が直列に配列された直列電池システムと２つの電池が並列に配列された並列電池システムの電力と電流の関係を表すグラフ５１０を示す。グラフ５１０に示したように、直列電池システムの最大電力は、並列電池システムの最大電力と等しいが、そのような最大値は、異なる電流で生じる。直列電池システムの最大電力は、並列電池システムの最大電力よりも少ない電流で生じる。

グラフ５１０は、直列電池システムと並列電池システムで電力と電流が等しい点５１５を含むということが重要である。点５１５は、直列電池システムの場合は電流が増大するときに電力が減少する領域に、並列電池システムの場合は電流が増大するときに電力が増大する領域に対応している。この点で、切り換え可能な電池システムを、高効率状態から低効率状態に、またはその逆に切り換えることができる。更に、この点におけるそのような構成の切り換え、したがって効率の切り換えは、２電池システムの電流出力や電圧出力を変化させることなく行われる。

図５Ｂは、図５Ａのグラフ５１０の直列電池システムと並列電池システムに対応する効率と電力の関係を表すグラフ５２０を示す。グラフ５２０によれば、ある最高効率より低い効率で電力最大値が存在し、この電力最大値では、切り換え可能な２電池システムを直列構成と並列構成の間で切り換えても効率は変化しない。しかしながら、図５Ａのグラフ５１０に示したような、直列構成と並列構成とで電力と電流が一致する点５１５は、その点における電力が最大電力よりも低い点である。したがって、例示的な２電池システムにおいて直列構成から並列構成に切り換えるときに効率の変化が生じる。図５Ｂのグラフ５２０の縦線５２５は、直列構成から並列構成への移行またはその逆の移行を表す。２電池システムにおいて、２つの構成だけが存在し、したがって、所与の電力値において多くても２つの効率の状態が存在する。一般に、並列構成は高い方の効率に対応し、直列構成は低い方の効率に対応する。

図５Ａと図５Ｂは２つの構成の状態を示しているが、可能な構成の数は、システム内の電池の数が増えるほど多くなる。図６Ａは、４つの電池と５つの可能な構成を有する例示的な切り換え可能電池システムの電力と電流の関係を表すグラフ６１０を示す。システムの構成が、並列構成を帯びるほど、電力と電流の関係を表す曲線は、電流のより広い範囲にわたり、したがって、そのような構成に向かうほど、最大電力は、より大きな電流で生じるようになる。

グラフ６１０は、電力と電流を維持しながら例示的なシステム構成を切り換えることができる９つの点（ａ〜ｊと示した）が存在することを示す。更に、これらの点は全て、最大電力よりも低い電力に対応しており、したがって効率の変化に対応している。更に、９つの点はどれも３つ以上の構成に対応していない。したがって、この例では、３つの構成間における変化により電力と電流が一定に維持される点は存在しない。当然のことであるが、例えば、「３：１」構成において、「１」つの電池を「３」つの電池のうちの１つと切り換えると、電力と電流が一定に維持される。

グラフ６１０によれば、並列構成に向かう切り換えによって温度が下がり、直列構成に向かう切り換えによって温度が高くなる。更に、電力が最大電力に近づくほど、構成を切り換えたときの温度の変化が小さくなる。したがって、点「ｈ」では、温度または熱発生の変化が小さいことが予想され、点「ｄ」では、温度または熱発生の変化が大きいことが予想される。更に、一般に、高い電力で切り換えるときと比べて、電力が低いほど、ある構成から別の構成への切り換えによる効率の変化が大きくなる。

図６Ｂは、図６Ａのグラフ６１０の例示的な切り換え可能電池システムの効率と電力の関係を表すグラフ６２０を示す。当然ながら、所与の電力容量の電池を多くするほど、電力軸の振幅が大きくなる。したがって、グラフ６１０，６２０に示した現象は、直列、並列、またはこれらの任意の組合せで動作する更に多くの電池を備えたシステムに拡張することができる。任意の所与の構成の出力曲線は一般に、図６Ａのグラフ６１０に示したように、他の構成と共通の動作点を共用する。そのような動作点はそれぞれ、固有の電力出力に対応し、例示的な４電池システムについて示したような効率出力曲線に沿って切り換え条件を横方向にずらすことになる（例えば、図６Ｂのグラフ６２０を参照）。多数の電池を有する燃料電池システムは、ほぼ連続した電力出力範囲にわたって拡がるより多くの可能な動作点を有することができる。例示的な方法において、動作点は、負荷によって規定される電力要件に関して調整された例示的なシステムにおいて選択され実現される。最大電力出力に近い動作点は、小さな効率の変化を生じさせることが予想され、したがって、最大電力値からより遠い動作点よりも長い時間にわたって小さな温度または熱発生の変化を生じさせる。システムの最大電力出力から比較的遠い点（ポイント）で動作するシステムは、比較的短い時間にわたって大きな温度または熱発生の変化を生じさせることが予想できる。

接続構成の数（ｍ）は、システム内の電池の数（ｎ）の関数である。これは、ｍ＝ｆ（ｎ）のように表わすことができる。例示的な式において、Ｎは、以下のように動作点の数を表す。

下の表２は、３〜１１個の個別の電池を含む様々な例示的な電池スタックについて、可能な固有の接続構成の数（ｍ）とそれに対応する動作点の数（Ｎ）に関する情報をまとめたものである。

表２に示した情報は、比較的少数の電池（例えば、ｎ＝１１）を含む燃料電池スタックが、ある電力の範囲内に多数の可能な動作点を有することを示している。電池が更に多くなると（例えば、ｎ＞１１）、オプションとしてほぼ連続した電力出力範囲にわたって動作できる設定限界に近づく（動作）点の数が多くなるであろう。図６Ａは、表２に含まれる４電池スタック（ｎ＝４）を示す。したがって、ｎ＝４の場合、５つの固有の接続構成とそれに対応する１０の動作点が存在する。

燃料消費に関して、例えば低ＥＭＦ効率状態（例えば、より直列型の構成）にしたがって電池に一定量の燃料を供給し、次に高ＥＭＦ効率状態（例えば、より並列型の構成）に切り換えると、燃料の供給過剰が起こる。したがって、一般に反応した燃料の量を供給した燃料の量で割ったものとして定義される燃料効率が低下する。しかしながら、例えば高ＥＭＦ効率状態にしたがって電池に一定量の燃料を供給し、次に低ＥＭＦ効率状態に切り換えた場合は、燃料が制限されることがあり、あるいは低効率状態のほうが高効率状態よりも多く燃料を利用するので燃料の効率は高くなる。したがって、一般に、燃料供給が一定の場合、低ＥＭＦ効率状態から高ＥＭＦ効率状態への切り換えにより燃料が過剰になり、高ＥＭＦ効率状態から低ＥＭＦ効率状態への切り換えにより、過剰燃料が減少する（例えば、おそらくは、制限された量の燃料の場合でも）。

例示的な配列
前述したように、複数電池システムは、一定の電流および電圧の条件で一定の電力出力を維持しながら複数の状態で動作することができる。更に、電池ＥＭＦと電流密度は、燃料消費やＥＭＦ効率などと関連した可変パラメータである。例示的な配列は、複数電池システム内の少なくともいくつかの電池を並列電気配列と直列電気配列とで切り換えることを可能にする。最初に、様々な例示的な配列について説明し、次に、電力と燃料の問題点を考慮する例示的な配列を動作させる様々な方法について説明する。

本明細書で説明したように、複数電池システム内の少なくともいくつかの電池が、直列および／または並列の形態で動作させられる。電池が、電気的に直列に接続されたとき（例えば、ある電池の正端子が別の電池の負端子に接続されているとき）、電池の全電圧出力は、個々の電池電圧の和と等しい。直列に接続された電池に流れる電流は、１つの電池の電流と同じである。これと対照的に、電池が並列に接続されたとき（例えば、正端子が共に接続され、負端子が共に接続されているとき）は、電流容量が増える。電池が実質的に等しい電圧出力を有すると仮定すると、並列に接続された電池の電圧出力の合計は、単一電池の電圧と同じである。本質的には、電池を並列に接続することは、単一電池内の電極と電解質のサイズを大きくすることとある程度同様の効果がある。

図７は、２つの例示的な配列７１０，７２０の回路図７００を示す。並列配列７１０は、温度Ｔ_１で動作しＥＭＦ Ｖ_１を生成する第１の電池と、温度Ｔ_２で動作しＥＭＦ Ｖ_２を生成する第２の電池とを含み、ここでＶ_１はＶ_２と等しい。抵抗器で表された負荷は、抵抗Ｒ_Ｌを有する。第１の電池と第２の電池の温度測定回路はオプションである。例示的な配列７１０において、負荷は、ＥＭＦ Ｖ_１およびＥＭＦ Ｖ_２と等しいＥＭＦ Ｖ_ｐを受ける。更に、この配列は、電流Ｉ_ｐと、電流Ｉ_ｐとＶ_Ｐの積と等しい電力Ｐを生成する。例示的な配列７１０において、各電池は、電流Ｉ_Ｐの一部分のみを提供する。

直列配列７２０は、温度Ｔ_１’で動作しＥＭＦ Ｖ_１’を生成する第１の電池と温度Ｔ_２’で動作しＥＭＦ Ｖ_２’を生成する第２の電池とを含み、ここで、Ｖ_１’はＶ_２’と等しくてもよい。抵抗器で表された負荷は、並列配列７１０の場合と同じように抵抗Ｒ_Ｌを有する。第１の電池と第２の電池の温度測定回路は、オプションである。例示的な配列７２０において、負荷は、ＥＭＦ Ｖ_１’とＥＭＦ Ｖ_２’を加えたものに等しいＥＭＦ Ｖ_Ｐを受ける。更に、この配列は、電流Ｉ_ｐと、Ｉ_ＰとＶ_Ｐの積に等しい電力Ｐを生成する。例示的な配列７２０において、各電池は、電流Ｉ_Ｐを提供する。

例示的な並列配列７１０を例示的な直列配列７２０と比較すると、Ｖ_１’がＶ_Ｐ（並びにＶ_１とＶ_２）よりも低く、Ｖ_２’がＶ_Ｐ（並びにＶ_１とＶ_２）よりも低いことが分かる。更に、例示的な並列配列７１０では、電流需要Ｉ_Ｐが、２つの電池に分配されるが、例示的な配列７２０内の各電池は、電流需要Ｉ_Ｐを供給しなければならない。したがって、抵抗Ｒ_ＬとＥＭＦ需要Ｖ_Ｐを有する負荷の場合、例示的な直列配列７２０は、例示的な並列配列７１０（高ＥＭＦ、低電流）と比較したときに、低ＥＭＦ効率動作状態（低ＥＭＦ、高電流）と関連付けられることができる。したがって、高ＥＭＦ効率状態から低ＥＭＦ効率状態に切り換える例示的な方式は、並列配列の電池から直列配列の電池に切り換えることを含む。当然ながら、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、および図６Ｂに関して前述したように、電力と電流の関係を表す２つの曲線の交点で切り換えが行われる場合は、特定の電圧または負荷が与えられた場合に、切り換えにより電力と電流が比較的一定に維持されることを期待することができる。

図８は、切り換え可能な電池の配列８００の１例を示す。例示的な配列８００は、２つの並列スイッチＳＰ_１、ＳＰ_２、１つの直列スイッチＳ_Ｓ、２つの電池ＦＣ_１およびＦＣ_２を有する切り換え可能な回路に接続された抵抗Ｒ_Ｌを有する負荷を含む。また、ＦＣ_１とＦＣ_２の温度測定回路Ｔ_１とＴ_２が示されており、これらの回路は、オプションとすることができ、他の条件（例えば、酸化剤濃度、廃棄物濃度など）を測定する１つまたは複数の回路を代用するものであっても、また、そのような回路に追加されるものであってもよい。スイッチＳＰ_１とＳＰ_２が閉じられ、スイッチＳ_Ｓが開かれたとき、回路は電池を並列に動作させるが、スイッチＳＰ_１，ＳＰ_２が開かれ、スイッチＳ_Ｓが閉じられたとき、回路は、電池を直列で動作させる。したがって、例示的なシステムは、電気出力を提供することができる第１の燃料電池と、電気出力を提供することができ第２の燃料電池と、第１の燃料電池の電気出力と第２の燃料電池の電気出力を並列または直列に配列するための１つまたは複数のスイッチを含む切り換え回路とを含む。後で更に説明するように、オプションの温度測定回路は、並列から直列にまたは直列から並列にいつ切り換えるかを決定するのに役立てることができる。例えば、燃料供給が過剰な並列配列において、Ｔ_１および／またはＴ_２が設定温度よりも低くなった場合は、直列配列への切り換えは、熱発生を高め、したがって温度を高める働きをする場合がある。この例において、温度測定回路は、Ｔ_１および／またはＴ_２を測定し、次に切り換え回路に信号を提供することができる。当然ながら、コントローラは、切り換え回路を制御し、オプションとして、温度測定回路や他の回路から信号を受け取ることができる。

当然ながら、例示的な配列またはそれらの等価物は、複数電池システム全体にわたって複製されてもよい。例えば、図９は、複数の燃料電池９１０（例えば、ＦＣ_１，ＦＣ_２，．．．ＦＣ_Ｎ）とコントローラ９２０を含む例示的なシステム９００を示す。コントローラ９２０は、燃料電池９１０の電気的配列を制御し、燃料電池の一部または全てが、並列電気配列から直列電気配列に切り換え可能でかつ直列電気配列から並列電気配列への切り換え可能である。例えば、第１組の電池ＦＣ_１およびＦＣ_４は、ＥＭＦ Ｖ_Ａで並列に動作し、第２組の電池ＦＣ_２、ＦＣ_３、ＦＣ_５、ＦＣ_６、ＦＣ_７およびＦＣ_８は、ＥＭＦ Ｖ_Ｂで直列に動作することができ、ここで、Ｖ_ＡはＶ_Ｂにほぼ等しい。更に、第１組と第２組は、ＥＭＦ Ｖ_Ａを受ける負荷と並列に電気的に配列されてもよい。第１組の電池ＦＣ_１およびＦＣ_４が、並列から直列に切り換えられた場合（例えば、第２組の電池と並列なまま）、電池ＦＣ_１およびＦＣ_２のＥＭＦが低下し、第１組の電池のＥＭＦ効率が低下する。

例示的な方法
様々な例示的な配列が、複数燃料電池システムの動作制御性を高めることができる。例えば、例示的な方法は、供給ブロックを含み、そのブロックで、複数の燃料電池システムに過剰な量の燃料が供給される。次に、切り換えブロックで、電池のうちの少なくともいくつかが、並列電気配列から直列電気配列に切り換えられる。一般に、切り換えによって、１つまたは複数の負荷に対する電力出力が一定に維持される。しかしながら、前述のように、並列電気配列から直列電気配列へ電池を切り換えることにより、電池を高ＥＭＦ効率状態から低ＥＭＦ効率状態に切り換えることができる。したがって、そのような環境では、例示的な方法は、生成ブロックを含み、そのブロックで、並列から直列に切り換えられた電池に関連した低ＥＭＦ効率状態の方が多くの燃料を必要とするので（例えば、より高い燃料利用率）、過剰な燃料の少なくとも一部分から熱が生じる。本質的には、この切り換えにより、供給された燃料の量に対する反応した燃料の量として定義される、切換え式電池の燃料効率が高まる。

一般的に、反応または利用された燃料の増加に関連した熱の生成により、電池の温度が上昇する。したがって、図７の例示的な回路図７００を再び参照すると、前述の例示的な方法によって、Ｔ_１’がＴ_１よりも大きくなり、Ｔ_２’がＴ_２よりも大きくなる。当然ながら、ある温度が達成されると、例示的な方法は、複数電池システム内の同じ電池および／または他の電池を直列電気配列から並列電気配列に切り換えることができる。燃料供給が一定であると仮定すると、そのような切り換えにより、燃料利用率が低下し、それにより熱発生が減少し、したがって温度が下がる。全体として、そのような例示的な方法は、複数電池システム内の個々の電池の温度を制御するのに適している。例えば、例示的なシステム９００と第１組の電池ＦＣ_１とＦＣ_４の説明とを参照すると、並列から直列への切り換えは、電池ＦＣ_１およびＦＣ_４の温度を高めることを意図している場合がある。

図１０は、もう１つの例示的な方法１０００のブロック図を示す。例示的な方法１０００は、燃料供給ブロック１０１０を含み、このブロックで、燃料電池のシステムに過剰な量の燃料が供給される。測定ブロック１０２０において、温度および／または１つまたは複数の他の変数が測定または決定される。次に、判定ブロック１０３０で、熱発生をもっと多くする必要があるか少なくする必要があるかが決定される。次に、例示的な方法１０００は、熱発生を少なくする分岐または熱発生を多くする分岐に続く。多くする分岐は、複数電池システムをより直列な（すなわちより直列型の）構成（例えば、電気配列）に切り換える切り換えブロック１０４０を含み、少なくする分岐は、複数電池システムをより並列な（すなわちより並列型の）構成（例えば、電気配列）に切り換える切り換えブロック１０４２を含む。したがって、多くする分岐は、燃料消費量の増大により熱発生ブロック１０５０で熱発生を高め、少くする分岐は、燃料消費量の減少により熱減少ブロック１０５２で熱発生を減少させる。

当然ながら、他の例示的な方法は、複数電池システム内の電池のうちの少なくともいくつかを並列電気配列から直列電気配列にまたは直列電気配列から並列電気配列に切り換えることと関連して燃料供給を調整することができる。全体として、本明細書で説明したような切り換えは、燃料供給の検討事項と組み合わせたときに、複数電池システム内の少なくともいくつかの電池のＥＭＦ効率を調整し温度を制御する比較的迅速かつ有効な方法を提供する。

以下に、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
１．電気出力を提供することができる第１の燃料電池と、
電気出力を提供することができる第２の燃料電池と、
前記第１の燃料電池の前記電気出力と前記第２の燃料電池の前記電気出力を並列または直列に配列し、それにより電気出力効率および熱発生を調整するための１つまたは複数のスイッチを備える切り換え回路
とを備える、システム。
２．前記第１の燃料電池または前記第２の燃料電池の温度を測定し、信号を前記切り換え回路に提供することが可能な温度測定回路を有する、上項１に記載のシステム。
３．前記第１の燃料電池と前記第２の燃料電池が、固体酸化物型燃料電池である、上項１に記載のシステム。
４．前記切り換え回路を制御するコントローラをさらに備え、前記コントローラが、オプションとして、温度測定回路から信号を受け取り、それに応答して前記第１の燃料電池の前記電気出力と前記第２の燃料電池の前記電気出力を配列するように構成され、前記コントローラが、オプションとして、前記切り換え回路に、前記第１の燃料電池の前記電気出力と前記第２の燃料電池の前記電気出力を並列に配列させて、前記第１の燃料電池と前記第２の燃料電池の電気出力効率を高め、前記コントローラが、オプションとして、前記切り換え回路に、前記第１の燃料電池の前記電気出力と前記第２の燃料電池の前記電気出力を直列に配列させて、前記第１の燃料電池と前記第２の燃料電池の電気出力効率を下げることからなる、上項１に記載のシステム。
５．複数燃料電池システムに過剰量の燃料を供給するステップと、
前記燃料電池の少なくとも一部分を並列電気配列から直列電気配列に切り換えるステップと、
前記過剰量の燃料の少なくとも一部分から熱を生成するステップ
とを含む、方法。
６．前記燃料が水素を含み、前記複数燃料電池システムが、オプションとして、固体酸化物型燃料電池を具備する、上項５に記載の方法。
７．前記切り換えるステップが、負荷に提供される電力を変化させないことからなる、上項５に記載の方法。
８．前記切り換えるステップが、設定温度以下での燃料電池温度の測定に応答して行われる、上項５に記載の方法。
９．複数燃料電池システムにほぼ一定量の燃料を供給するステップと、
燃料電池のうちの少なくともいくつかを直列電気配列から並列電気配列に切り換えるステップと、
ＥＭＦ効率を高めるステップと、
燃料効率を低下させるステップ
とを含む、方法。
１０．前記燃料が水素を含み、前記複数燃料電池システムが、オプションとして、固体酸化物型燃料電池を具備することからなる、上項９に記載の方法。

本発明による例示的なシステム(910)は、電気的出力を提供可能な第１の燃料電池(FC₁)と、電気的出力を提供可能な第２の燃料電池(FC₂)と、第１の燃料電池(FC₁)の電気的出力と第２の燃料電池(FC₂)の電気的出力を並列または直列に配列して、これにより、電気的出力の効率と熱生成を調整するための１つまたは複数のスイッチを含む切り換え回路(920)とを備える。

燃料電池を説明する図である。 燃料利用率に関する理論的な熱力学的効率と温度の関係を示すグラフである。 例示的な燃料電池の電池出力密度と温度の関係を示すグラフである。 所与の温度における例示的な燃料電池の電池ＥＭＦおよび出力密度と電流密度の関係を示すグラフである。 所与の温度における例示的な燃料電池のＥＭＦの効率と出力密度の関係を示すグラフである。 直列構成と並列構成の例示的な２電池システムの電力と電流の関係を表すグラフである。 例示的な２電池システムのＥＭＦ効率と出力密度の関係を示すグラフであり、システム内の電池の再配列による、電力が一定のときの効率の変化が示されている。 様々な直列構成と並列構成の複数電池システムの電力と電流密度の関係を示すグラフである。 例示的な複数電池システムのＥＭＦ効率と出力密度の関係を示すグラフであり、ある電力出力の範囲に対応する動作点に関する効率の変化が示されている。 燃料電池システムの例示的な回路図である。 負荷に電力を供給する第１と第２の燃料電池の例示的な切り換え可能な配列を示す図である。 コントローラと複数の燃料電池を含む例示的な切り換え可能システムを示す図である。 複数燃料電池システム内の少なくともいくつかの燃料電池の電気的配列を切り換えるステップを含む例示的な方法を示す図である。

符号の説明

９００ システム
９１０ 燃料電池
９２０ コントローラ

Claims (8)

1. 電気出力を提供することができる第１の燃料電池と、
   電気出力を提供することができる第２の燃料電池と、
   前記第１の燃料電池の前記電気出力と前記第２の燃料電池の前記電気出力を並列または直列に配列するための１つまたは複数のスイッチを備える切り換え回路と、
   前記第１の燃料電池または前記第２の燃料電池の温度を測定し、信号を前記切り換え回路に提供することが可能であり、これにより電気出力効率および熱発生を調整するための温度測定回路と、
   前記切り換え回路を制御するコントローラ
   を備え、
   前記コントローラは前記温度測定回路から前記信号を受け取り、それに応答して前記第１の燃料電池の前記電気出力と前記第２の燃料電池の前記電気出力を配列するように構成され、
   前記コントローラは、前記第１の燃料電池と前記第２の燃料電池の電気出力効率を高めるために、前記切り換え回路に、前記第１の燃料電池の前記電気出力と前記第２の燃料電池の前記電気出力を並列に配列させる制御と、前記第１の燃料電池と前記第２の燃料電池の電気出力効率を下げるために、前記切り換え回路に、前記第１の燃料電池の前記電気出力と前記第２の燃料電池の前記電気出力を直列に配列させる制御との少なくとも一方の制御を実施することからなる、システム。
2. 前記第１の燃料電池と前記第２の燃料電池が、固体酸化物型燃料電池である、請求項１に記載のシステム。
3. 複数燃料電池システムに過剰量の燃料を供給するステップと、
   前記燃料電池の少なくとも一部分を並列電気配列から直列電気配列に切り換えるステップと、
   前記過剰量の燃料の少なくとも一部分から熱を生成し、これによって、前記燃料電池システムの温度を制御するステップ
   とを含む、方法。
4. 前記燃料が水素を含み、前記複数燃料電池システムが、オプションとして、固体酸化物型燃料電池を具備する、請求項３に記載の方法。
5. 前記切り換えるステップが、負荷に提供される電力を変化させないことからなる、請求項３に記載の方法。
6. 前記切り換えるステップが、設定温度以下での燃料電池温度の測定に応答して行われる、請求項３に記載の方法。
7. 複数燃料電池システムにほぼ一定量の燃料を供給するステップと、
   前記システムによる熱発生を高める必要があるか否かを決定するステップと、
   前記決定に応答して、燃料電池のうちの少なくともいくつかを並列電気配列から直列電気配列に切り換えるステップ、
   を含み、
   前記切り換えによって、ＥＭＦ効率を低下させ、及び、燃料効率を高め、これによって、熱発生を高めることからなる、方法。
8. 前記燃料が水素を含み、前記複数燃料電池システムが、オプションとして、固体酸化物型燃料電池を具備することからなる、請求項７に記載の方法。

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