JP5735633B2 - 燃料電池システムにおける燃料供給を制御する方法及び装置 - Google Patents
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Description
世界のエネルギのほとんどは、石油、石炭、天然ガス、又は原子力によって生産される。これらの全ての生産方法は、例えば安定供給及び環境適合性に関する限り、それぞれに特有の問題を有する。環境に関する限り、特に石油及び石炭は、燃焼の際に汚染をもたらす。原子力に関する問題には、少なくとも、使用済み燃料の保管がある。
特に環境問題のため、より環境に優しく、また、例えば上述のエネルギ源よりも高い効率を有する新たなエネルギ源が開発されている。燃料電池装置は、前途有望な将来のエネルギ変換装置であり、その装置によって、例えばバイオガスであるその燃料は、環境に優しいプロセスで化学反応を経て電気に直接変換される。
図１に示すように、燃料電池は、アノード側１００とカソード側１０２とそれらの間にある電解質材料１０４とを含む。燃料電池では、酸素１０６がカソード側１０２に供給され、そして、それは、カソードから電子を受け取ることによって、マイナスの酸素イオンに分解される。マイナスの酸素イオンは、電解質材料１０４を通ってアノード側１００に至る。アノード側１００では、それが燃料１０８と反応して、水と、典型的には二酸化炭素（ＣＯ２）とを創出する。アノード１００とカソード１０２との間には、燃料電池の負荷１１０を含む外部電気回路１１１がある。
図２は、高温燃料電池装置の一例としてのＳＯＦＣ装置を示す。ＳＯＦＣ装置は、燃料を酸化させることによって直接的に電気を作る電気化学的変換装置である。ＳＯＦＣ装置は、例えば天然ガス、バイオガス、メタノール、又は、炭化水素混合物を含む他の化合物を燃料として利用できる。図２のＳＯＦＣ装置は、２以上の燃料電池、典型的には複数の燃料電池を、スタック形成部１０３、すなわちＳＯＦＣスタックに含み、また、典型的には、１つのＳＯＦＣ装置にはこれらスタック１０３が複数存在する。各燃料電池は、図１に示すような構成で、アノード１００及びカソード１０２を含む。使用済み燃料の一部は、フィードバック装置１０９で再循環される。また、図２のＳＯＦＣ装置は、燃料熱交換器（fuel heat exchanger）１０５及び改質装置(reformer)１０７を含む。熱交換器は、燃料電池プロセスにおける熱的条件を制御するために用いられ、ＳＯＦＣ装置における異なる位置に２以上が配置され得る。循環するガスにおける余分な熱エネルギは、ＳＯＦＣ装置又は熱回収ユニットの外部で利用されるように、１又は複数の熱交換器１０５で回収される。改質装置１０７は、例えば天然ガス等の燃料を、例えば水素、メタン、二酸化炭素、一酸化炭素、及び不活性ガスを含む構成である、燃料電池に適した構成に変換する装置である。しかしながら、いずれにせよ、各ＳＯＦＣ装置では、改質装置を備えることは必須ではない。
（燃料流量計、電流計、温度計等の）測定手段１１５を用いることによって、アノードを通る再循環ガスから、ＳＯＦＣ装置の運転に必要な測定が行われる。アノード１００で用いられるそのガスの一部分のみが、フィードバック装置１０９で、アノードを通って再循環され、そのガスの他の部分は、１１４で示すようにアノード１００から排気される。
ＳＯＦＣ装置の有利点は、高効率、長期間安定性、低排出、及び低コストを含む。主な不利点は、長い起動時間、並びに、機械的適合性及び化学的適合性の問題を引き起こす高い運転温度である。
非デッドエンド運転の燃料電池システムでは、燃料利用（ＦＵ）率を所望のレベルに維持するために、燃料電池の負荷に合わせて燃料供給が調整されなければならない。ＳＯＦＣシステムでは、その燃料利用率要求に加え、炭素に対する酸素の比（ＯＣ比）が、固体炭素の形成が生じないことを確かなものとするために、例えばアノード再循環、部分酸化、又は外部給水によって、十分に高く維持されなければならない。典型的には、燃料供給、水分バランス、実現可能な他の供給、及び燃料電池負荷の制御は、手動設定点、予め定められた設定グループ、又はパラメータ相関に基づく。これらの制御方法は、システムの周りの状態及びシステム内の状態が安定している場合には、適切なものとなる。しかしながら、少なくとも１つの状態が変化すると、例えばＳＯＦＣシステムで燃料組成のバラツキ、コントローラの応答時間の制限、ＳＯＦＣシステムの装置における部分的な或いは完全な能力喪失があると、これら従来技術の制御方式における適切な応答のための能力が、その予め定められたケースに限定される。
本発明の目的は、燃料電池システムの運転条件の内部変化及び／又は外部変化に十分に良好に且つ迅速に適合できる燃料電池システムを実現することである。
この目的は、燃料電池で電気を作り出す高温燃料電池システムによって達成される。各燃料電池は、アノード側、カソード側、及び、アノード側とカソード側の間の電解質を含む。高温燃料電池システムは、燃料を高温燃料電池システムに供給するための燃料供給手段と、燃料電池における燃料利用率、及び、高温燃料電池システムにおける炭素に対する酸素の比（Ｏ／Ｃ比）に関する情報を生成する手段と、燃料電池の負荷を制御する能動的な燃料電池負荷増減手段と、第１閉ループコントローラにフィードバックされるプロセスフィードバック情報として燃料利用率情報を考慮に入れることによって、且つ、第１許容範囲の下限を下回ることで第１許容範囲からＯ／Ｃ比が逸脱した場合に第１閉ループコントローラの出力を制限することによりＯ／Ｃ比を制御する制約機能を実行することによって燃料供給手段を制御する第１閉ループコントローラと、第２許容範囲の上限又は下限を超えることで第２許容範囲から燃料利用率が逸脱した場合に第２コントローラの出力を制限することにより燃料利用率を制御する制約機能を実行することによって能動的な燃料電池負荷増減手段を制御する第２コントローラと、を含む。
また、本発明の焦点は、高温燃料電池システムで電気を作り出す方法である。その方法では、燃料が高温燃料電池システムに供給され、燃料電池における燃料利用率、及び、高温燃料電池システムにおける炭素に対する酸素の比（Ｏ／Ｃ比）に関する情報が生成され、燃料電池の負荷が能動的に制御され、第１閉ループコントローラにフィードバックされるプロセスフィードバック情報として燃料利用率情報を考慮に入れることによって、また、第１許容範囲の下限を下回ることで第１許容範囲からＯ／Ｃ比が逸脱した場合に第１閉ループコントローラの出力を制限することによりＯ／Ｃ比を制御する制約機能を実行することによって燃料の供給が制御され、且つ、第２許容範囲の上限又は下限を超えることで第２許容範囲から燃料利用率が逸脱した場合に第２コントローラの出力を制限することにより燃料利用率を制御する制約機能を実行することによって燃料電池の負荷が能動的に制御される。
本発明は、燃料電池における燃料及び燃料利用率並びに炭素に対する酸素の比（Ｏ／Ｃ比）に関して生成される情報の利用と、燃料電池の負荷の能動的な制御とに基づく。燃料利用率情報は、プロセスフィードバック情報として用いられる。また、制約機能は、Ｏ／Ｃ比が許容範囲から逸脱した場合に第１コントローラの出力を制限することによりＯ／Ｃ比を制御するために実行される。また、燃料電池の負荷の制御において、制約機能は、燃料利用率が許容範囲から逸脱した場合に第２コントローラの出力を制限することにより燃料利用率を制御するために実行される。
本発明は、燃料組成における変化、又は、システムコンポーネントの効率における変化といった燃料電池システムの動作状態における内的変化及び／又は外的変化に適切に応答することが本質的に可能な、燃料電池システムの動作状態の制御方法及び制御装置を提供する。従来技術の実施とは異なり、本発明にしたがった制御方法は、炭素に対する酸素の比（Ｏ／Ｃ比）及び燃料利用率（ＦＵ）といった有効なフィードバック情報に基づくものであり、予め定められたパラメータ設定、又は、様々な動作条件のための予測を必要としない。
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、複数の構造を有し得る。平面構造（図１）は、燃料電池のほとんどのタイプで採用される典型的なサンドイッチタイプの構造であり、電解質１０４が電極間すなわちアノード１００とカソード１０２との間に挟まれる。また、ＳＯＦＣは、管状構造で作られてもよい。管状構造では、例えば空気又は燃料がその管の内側を通され、他方のガスがその管の外側に沿って通される。また、この構造は、燃料として用いられるガスがその管の内側を通され、空気がその管の外側に沿って通されるように配置され得る。管状構造は、燃料から空気を密閉する点で優れている。しかしながら、いずれにせよ平面構造の性能は、管状構造の性能より良好である。平面構造は、比較的低い抵抗を有するためである。ＳＯＦＣの他の構造は、改良平面セル（ＭＰＣ又はＭＰＳＯＦＣ）を含む。改良平面セルは、平面セルの従来の平坦な構造を波状構造で置き換える。そのような構造は、将来有望である。それらは、平面セル（低抵抗）及び管状セルの双方の有利点を共有するためである。
ＳＯＦＣで用いられるセラミックスは、それらが極めて高い温度に達するまでイオン的に活性とはならない。また、この結果として、それらスタックは、６００〜１０００℃の温度で加熱される必要がある。酸素（図１）の酸素イオンへの分解は、カソード１０２で生じる。これらのイオンはその後、固体酸化物電解質１０４を通じてアノード１００に移送される。アノード１００では、それらは、燃料として用いられるガスを電気化学的に酸化させることができる。この反応において、水及び二酸化炭素の副産物が、２つの電子と共に放出される。その後、これらの電子は、外部回路１１１を通って、それらが利用され得るところに流れる。その後、それら電子がカソード材料１０２に再び入るので、このサイクルが繰り返される。
大型の固体酸化物燃料電池システムでは、典型的な燃料は、天然ガス（主にメタンである。）、様々なバイオガス（主に窒素及び／又は二酸化炭素で希釈されたメタンである。）、及び、アルコールを含む他の高級炭化水素含有の燃料である。メタン及び高級炭化水素は、燃料電池スタックに入る前に改質装置１０７（図２）で、或いは、スタック１０３内で（部分的に）内部的に改質される必要がある。改質反応は、ある程度の量の水を必要とし、また、高級炭化水素によってもたらされる起こり得る炭素形成（コーキング）を防止するために追加的な水が必要とされる。この水は、アノードガス排出流を再循環させることによって内部的に供給され得る。水は、燃料電池反応で余分に創出されるためであり、且つ／或いは、補助的な給水（例えば、新鮮な水の直接的な供給、又は、排出される凝縮液の循環）によって創出されるためである。アノード再循環装置によって、アノードガスにおける未使用燃料及び希釈剤（dilutants）の一部は、そのプロセスにフィードバックされる。一方で、補助的な給水装置では、水のみがそのプロセスに対して加えられる。
本発明では、例えば燃料利用（ＦＵ）率、炭素に対する酸素の比（Ｏ／Ｃ比）、及びスタック１０３の負荷等の重要な燃料電池スタック用運転パラメータの柔軟な制御が、相互作用的なコントローラ１２２、１２４（図３）の動作に基づいてそれらを制御することによって、実現される。燃料供給は、プロセスフィードバック情報として燃料利用率測定値又は燃料利用率演算値を用いる閉ループコントローラ１２２で制御される。その閉ループコントローラ１２２の出力は、炭素に対する酸素（Ｏ／Ｃ）の最小条件によって制約すなわち制限される。閉ループコントローラ１２２は、特定の燃料利用率目標を実現するために、燃料供給手段１１６を駆動する。さらに、コントローラ１２２は、入力としてＯ／Ｃ比情報、燃料利用率設定点、及び／又は燃料利用率最小限度を取得し、必要に応じて、Ｏ／Ｃ比に基づいて燃料供給を制限するための非線形制約関数を実行することによって特徴付けられる。Ｏ／Ｃ比が基準レベルから下方に逸脱するほど、燃料供給手段１１６における燃料供給の引き下げ率は高くなる。１２０で示すスタック負荷の制御は、コントローラ１２４における同様の燃料利用率基準の制約によって制限される。コントローラ１２２、１２４は、望ましくは、デジタルプロセッサ内に配置される。また、それらは、同じプロセッサ内に配置されてもよく、別々のプロセッサに個別に配置されてもよい。
本発明にしたがった制御方法は、突然の状態の変化に応じる特有の能力を有する希薄制御（lean control）の実行をもたらす。例えば燃料組成がより希釈された燃料に急に変化すると、スタック負荷制御１２０（図３）における燃料利用（ＦＵ）率の制約は、必要に応じて、安全なＦＵレベルまで迅速に負荷を低減し、その後、システムは、例えば燃料供給及び／又は水分バランス制御１２８のランプ機能によって決定されるペースで所望の負荷レベルまで自動的に徐々に負荷を増大させ得る。同様に、負荷の突然の低下は、十分なＯ／Ｃ比を維持するのに適切な燃料供給レベルを実現するために、ＦＵコントローラ１２２におけるＯ／Ｃ比の制約によってもたらされる燃料供給の迅速な引き下げを強制する。このように、アノード再循環システムで十分なＯ／Ｃ比を維持するために燃料供給を引き下げることによって、本方法は、燃料電池負荷の完全な或いは部分的な低下によってもたらされる可燃種の供給の大幅な増加による、アノード排ガスの再循環されない部分の燃焼であるアフターバーナーをも本質的に防止する。
図３は、本発明にしたがった望ましい実施例を示す。燃料電池システムは、燃料を燃料電池システムに供給し且つ燃料に関する情報を提供するための燃料供給手段１１６と、燃料電池スタック１０３の前に燃料の前処理をするための手段１３２とを含む。改質装置１０７もまた、燃料電池スタック１０３の前で、図２に関連して説明されたように、改質機能を実行する。手段１３２及び改質装置１０７は、図３に示す望ましい実施例の必須部分ではない。手段１１８は、燃料電池１０３における燃料利用率、及び、燃料電池システムプロセスにおける炭素に対する酸素の比（Ｏ／Ｃ比）に関する情報を生成する。手段１１８は、例えば、化学成分を測定するための測定装置であるが、手段１１８は、演算プロセスにおいて、燃料電池における燃料利用率に関する情報、及び、燃料電池システムプロセスにおける炭素に対する酸素の比（Ｏ／Ｃ比）に関する情報を生成するためのプロセッサであってもよい。図３における燃料電池の負荷を制御するための能動的な手段１２０は、例えば、燃料電池の負荷を測定するための電気的測定装置、及び、その測定値に基づいて燃料電池の負荷を能動的に増大させ或いは減少させるための装置構成である。
さらに、図３における望ましい実施例は、プロセスフィードバック情報として燃料利用率情報を考慮に入れることによって、且つ、Ｏ／Ｃ比が許容範囲から逸脱した場合に第１コントローラ１２２の出力を制限することによりＯ／Ｃ比を制御する制約機能を実行することによって燃料供給手段１１６を制御するための第１閉ループコントローラ１２２を含む。燃料供給手段１１６は、例えば、燃料利用率情報及び／又はＯ／Ｃ比に基づいて燃料流量を調整するための質量流量調整装置である制御可能なチョークバルブを用いることによって能動的に制御可能なものとして配置され得る。
第２コントローラ１２４は、燃料利用率が許容範囲から逸脱した場合に第２コントローラ１２４の出力を制限することにより燃料利用率を制御する制約機能を実行することによって能動的な燃料電池負荷増減手段１２０を制御するために用いられる。望ましくは、燃料電池制御システムは、制約動作の際のコントローラの飽和を防止するために積分制御パラメータドリフト制限を実行する手段を含む。また、燃料電池システムは、制約動作から通常の閉ループ動作への円滑な移行を促進するためにコントローラ出力に関するランプ制限機能を実行するために、第１閉ループコントローラ１２２、及び／又は、第２コントローラ１２４を含む。第２コントローラ１２４は、閉ループコントローラであってもよいが、例えば、電流制御パワーエレクトロニクスが負荷として用いられる実施例では、閉ループは必須ではない。
図３のシステム部分１３４は、第１閉ループコントローラ１２２によって決定される燃料送り込みの変化を実現する。本発明の望ましい実施例では、燃料供給手段１１６によってそのような燃料を燃料電池システムに供給することが可能であり、その燃料は、異なる時点で異なる化学組成を有する。また、燃料供給手段１１６は、その異なる時点での燃料に関する情報を提供する。そのような燃料の一例はバイオガスである。
本発明にしたがった燃料電池システムは、アノード側１００で、供給された燃料又はその一部を再循環させる手段１２６を含み得る。しかしながら、本発明は、アノード側での燃料の再循環を行わない燃料電池システムで利用されてもよい。また、１３０で示す補助的な給水は、各燃料電池システムで必須ではない。
ＳＯＦＣと共に利用される場合に加え、本発明は、ＭＣＦＣ（溶融炭酸塩型燃料電池）、及び、４００℃以上の温度で動作する他の高温燃料電池と共にも利用され得る。
ＭＣＦＣは、多孔質で化学的に不活性のセラミックマトリックスであるベータアルミナ固体電解質（ＢＡＳＥ）に懸濁される溶融炭素塩の混合物で構成される電解質を用いる高温燃料電池である。
本発明は添付の図面及び明細書を参照して提示されたが、本発明がそれらに限定されることはない。本発明は、請求項によって許容される範囲内で変更される場合があるためである。
Claims (14)
- 燃料電池を用いて電気を作り出す高温燃料電池システムであり、各燃料電池がアノード側、カソード側、前記アノード側と前記カソード側との間の電解質を含むところの高温燃料電池システムであって：
燃料を前記高温燃料電池システムに供給する燃料供給手段；
前記燃料電池における燃料利用率に関する情報、及び、前記高温燃料電池システムのアノード再循環システムにおける炭素に対する酸素の比（Ｏ／Ｃ比）に関する情報を生成する手段；
前記燃料電池の負荷を制御する能動的な燃料電池負荷増減手段；
第１閉ループコントローラにフィードバックされるプロセスフィードバック情報として前記燃料利用率に関する情報を考慮に入れることによって、且つ、第１許容範囲の下限を下回ることで前記第１許容範囲から前記Ｏ／Ｃ比が逸脱した場合に前記第１閉ループコントローラの出力を制限することにより前記Ｏ／Ｃ比を制御する制約機能を実行することによって前記燃料供給手段を制御する第１閉ループコントローラ；及び
第２許容範囲の上限又は下限を超えることで前記第２許容範囲から前記燃料利用率が逸脱した場合に第２コントローラの出力を制限することにより燃料利用率を制御する制約機能を実行することによって前記能動的な燃料電池負荷増減手段を制御する第２コントローラ；
を含む高温燃料電池システム。 - 前記高温燃料電池システムは、前記アノード側で供給された燃料を再循環させる手段を含む、
請求項１に記載の高温燃料電池システム。 - 前記高温燃料電池システムは、演算プロセスにおいて、前記燃料電池における燃料利用率に関する情報、及び、前記燃料電池における炭素に対する酸素の比（Ｏ／Ｃ比）に関する情報を生成する手段を含む、
請求項１に記載の高温燃料電池システム。 - 前記燃料供給手段は、能動的に制御可能なものとして配置される、
請求項１に記載の高温燃料電池システム。 - 前記高温燃料電池システムは、制約動作の際に、前記第１閉ループコントローラ及び／又は前記第２コントローラの飽和を防止すべく、制御パラメータ値の過度のドリフトを制限する積分制御パラメータドリフト制限を実行するために、前記第１閉ループコントローラ及び／又は前記第２コントローラを含む、
請求項１に記載の高温燃料電池システム。 - 前記高温燃料電池システムは、制約動作から通常の閉ループ動作への円滑な移行を促進すべく、コントローラ出力の変化率を制限する、前記第１閉ループコントローラ及び／又は前記第２コントローラの出力のためのランプ制限機能を実行するために、前記第１閉ループコントローラ及び／又は前記第２コントローラを含む、
請求項１に記載の高温燃料電池システム。 - 前記高温燃料電池システムは、前記燃料を前記高温燃料電池システムに供給する前記燃料供給手段を含み、前記燃料は、異なる時点で異なる化学組成を有し、前記高温燃料電池システムは、燃料に関する情報を生成する手段を少なくとも１つ含む、
請求項１に記載の高温燃料電池システム。 - 高温燃料電池システムにおいて電気を作り出す方法であって：
前記高温燃料電池システムに燃料が供給され、
燃料電池における燃料利用率、及び、前記高温燃料電池システムのアノード再循環システムにおける炭素に対する酸素の比（Ｏ／Ｃ比）に関する情報が生成され、
前記燃料電池の負荷が能動的に制御され、
第１閉ループコントローラにフィードバックされるプロセスフィードバック情報として前記燃料利用率に関する情報を考慮に入れることによって、且つ、第１許容範囲の下限を下回ることで前記第１許容範囲から前記Ｏ／Ｃ比が逸脱した場合に前記第１閉ループコントローラの出力を制限することにより前記Ｏ／Ｃ比を制御する制約機能を実行することによって燃料の供給が制御され、
第２許容範囲の上限又は下限を超えることで前記第２許容範囲から前記燃料利用率が逸脱した場合に第２コントローラの出力を制限することにより燃料利用率を制御する制約機能を実行することによって前記燃料電池の負荷が能動的に制御される、
方法。 - 前記供給された燃料は、アノード側で再循環される、
請求項８に記載の方法。 - 前記方法において、演算プロセスで、前記燃料電池における燃料利用率に関する情報、及び、前記燃料電池における炭素に対する酸素の比（Ｏ／Ｃ比）に関する情報が生成される、
請求項８に記載の方法。 - 燃料の供給が能動的に制御される、
請求項８に記載の方法。 - 前記方法において、制約動作の際に、前記第１閉ループコントローラ及び／又は前記第２コントローラの出力の飽和を防止すべく、制御パラメータ値の過度のドリフトを制限する積分制御パラメータドリフト制限が実行される、
請求項８に記載の方法。 - 前記方法において、制約動作から通常の閉ループ動作への円滑な移行を促進すべく、コントローラ出力の変化率を制限する、前記第１閉ループコントローラ及び／又は前記第２コントローラの出力のためのランプ制限機能が実行される、
請求項８に記載の方法。 - 前記方法において、燃料が前記高温燃料電池システムに供給され、前記燃料は、異なる時点で異なる化学組成を有し、生成される情報は、燃料に関する、
請求項８に記載の方法。
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