JP5897059B2 - 燃料電池デバイスにおける動作条件を制御する方法および装置 - Google Patents

Description

燃料電池デバイスは種々の電気生産ニーズを満たすのに一般的になりつつある。燃料電池デバイスは、電気エネルギーを生成するための反応物を供給される電気化学デバイスである。

燃料電池デバイスは、環境にやさしいプロセスで高いデューティー比をもって電気の生産を可能にする電気化学デバイスである。燃料電池技術は、最も有望な将来のエネルギー生産方法の一つと考えられている。

図１に示される燃料電池は、アノード側１００およびカソード側１０２ならびに両者の間の電解質材料１０４を有する。燃料電池デバイスに供給される反応物が受けるプロセスにおいて、発熱反応の結果として、電気エネルギーおよび熱が生成される。

固体酸化物型燃料電池（SOFC: solid oxide fuel cell）では、酸素１０６がカソード側１０２に供給され、カソードから電子を受け取ることによって酸素陰イオンに還元される。酸素陰イオンは電解質材料１０４を通ってアノード側１００に行き、そこで、使用される燃料１０８と反応して水および典型的には二酸化炭素（CO2）を生成する。アノードとカソードの間では、電子eをカソードに伝達するための外部電気回路１１１がある。外部電気回路は負荷１１０を有する。

図２はSOFCデバイスを示している。これは燃料としてたとえば天然ガス、バイオガス、メタノールまたは炭化水素を含む他の化合物を利用できる。図２のSOFCデバイスは平面状の燃料電池を、積層フォーメーション１０３（SOFCスタック）において有する。各燃料電池は、図１に示されるようなアノード１００およびカソード１０２の構造を有する。使用される燃料の一部は、各アノードを通じてフィードバック構成１０９において再循環させられる。

図２のSOFCデバイスは燃料熱交換器１０５および改質器（reformer）１０７を有する。熱交換器は、燃料電池プロセスにおける熱条件を制御するために使われ、SOFCデバイスの異なる位置においてそうした熱交換器の二つ以上が位置されることができる。循環するガスにおける余剰の熱エネルギーは、SOFCデバイスにおいて利用されるべく熱交換器１０５において回収される、または外部で熱回収ユニットにおいて回収される。熱回収用熱交換器はこのように、図２に示される種々の位置に位置することができる。改質器はたとえば天然ガスのような燃料を燃料電池に好適な組成、たとえば半分が水素、残りの半分がメタン、二酸化炭素および不活性ガスを含む組成に変換する装置である。しかしながら、改質器はすべての燃料電池実装において必要なのではなく、処理していない燃料が直接燃料電池１０３に供給されてもよい。

測定手段１１５（燃料流量計（fuel flow meter）、流速計（current meter）および温度計（temperature meter））を使うことによって、アノードを通じて再循環するガスからSOFCデバイスの動作のための必要な諸測定が実行される。燃料電池１０３のアノード１００（図１）において使用されるガスの一部だけが、アノードを通じてフィードバック構成１０９において再循環させられ、よってやはり図２において図的に示されているように、ガスの他の部分はアノード１００から排出される１１４。

燃料電池は、低い電圧レベルをもつ直流の形の電気エネルギーを生成する。電圧レベルは、いくつかの燃料電池または燃料電池の組み合わせを組み合わせてたとえば積層フォーメーションのような直列接続を形成することによって高めることができる。燃料電池の電流電圧特性はたとえば反応物の組成、質量流（mass flow）、温度および圧力に依存する。燃料電池における電気化学反応は燃料電池負荷におけるゆらぎに迅速に反応する。しかしながら、反応物入力システムの応答能力は典型的にはずっと遅く、応答時間は数秒またさらには数分である。燃料電池から、反応物の現在優勢の入力が許容する以上の効率を得ようとするとき、燃料電池の弱化が引き起こされ、燃料電池の不可逆的な劣化さえもありうる。さらに、負荷の変化は燃料電池内で急速な温度変化を引き起こし、これは特に高温燃料電池では有害な熱機械応力を引き起こし、燃料電池の性能および寿命の有意な低下につながる。このように、燃料電池システムは、各燃料電池の負荷ができるだけ一定に保たれ、負荷における可能な変化ができるだけ制御可能に実行されるよう努力されるよう設計される必要がある。

独立な可変AC負荷を得るためにまたは配電網〔ネットワーク〕に電力を供給するために燃料電池が使用されるとき、DC電力をAC電力に変換するためにDC-AC変換器が必要とされる。燃料電池から得られるDC電圧をDC-AC変換器に好適なレベルに上げるためのDC-DC変換器も必要とされることもある。しかしながら、燃料電池が負荷の変化に応答する互換性および能力がきわめて制限されているため、従来技術の燃料電池実装、特に高温燃料電池実装は、独立な可変AC負荷に給電するためまたは配電網に可変電力を給電するためにはうまく適用できない。上記の問題に対処しようとするよく知られた方法は、たとえば鉛蓄電池からなるエネルギー・バッファの使用である。エネルギー・バッファの機能は、燃料電池の負荷変動が制御されるよう、急速に変化する条件において電力を供給または消費することである。特に、大型燃料電池システムでは、上記従来技術の実装の欠点は、高いコスト、大きなサイズおよび重い重量および限られた有効性のため、より深刻になる。電気ネットワークに結合された用途では、一定の燃料電池負荷を維持するための代替的な従来技術の実装は、ネットワークへの電力の供給において、電流制御された変換（a current controlled transform）を使うことである。ただし、電流制御された変換に基づく制御は、ネットワーク独立な動作においては好適ではなく、燃料電池システム内部または外部の決定的に重要なAC負荷のための非常用電源として使うことはできない。

高温燃料電池システムは、システムを動作温度まで加熱するために本格的な熱エネルギー量を必要とする。このため、スタートアップ時間が数十時間の長さに及ぶことがある。シャットダウンおよびスタートアップ・シーケンスにおける幅広い温度の交替は燃料電池および関係したシステム・コンポーネントを過剰な熱機械応力にさえさらす。こうして、高温燃料電池システムは、できるだけ長期間にわたって、数千時間でさえも、シャットダウンなしに連続的に動作するよう設計する必要がある。この目的を達成するために、システムは、高い信頼性を満たすとともに、システムをシャットダウンしたりまたはシステムを有害な動作条件に駆り立てたりしうる外的要因を最小限にするよう設計される必要がある。電流制御された変換器（current controlled converters）は燃料電池用途においては、停電、電圧降下または過渡現象といった種々のネットワーク障害から生じる突然の負荷変化から燃料電池を保護することができないという問題がある。

燃料電池スタックの熱管理は、高温燃料電池システムにおけるプラント残部（BoP: balance of plant）設備の主要な機能の一つである。燃料電池スタックの熱バランス（heat balance）は、内部改質、燃料電池反応、反応物の流れおよび周囲の構造との直接的な熱交換による熱輸送を含む多くの機構によって影響される。温度バランスの制御のための典型的な方法は、内部改質レートの調整ならび空気流およびカソード入口温度の調整を含む。スタックの温度制御は、スタックおよび関係した構造における有意な量の熱塊（thermal mass）の温度制御に関わり、よって動作パラメータの変化に対する長い応答時間を導入する。これらの長い応答時間は、BoP制御の他の部分における同様の長い応答時間とともに、燃料電池システムが急速な負荷変化に応答する能力を制限する。

スタンドアローンの動作のために設計されたシステムでは、システムのパワーバランスは、あらゆる時点において需要（負荷）に一致するよう制御される必要がある。スタックおよびBoP制御における長い応答時間のため、高温燃料電池プロセスは、本来的に、スタック・パワー出力における急速な変化を要求する用途には好適ではない。この障害を克服するために、負荷変化に応答する必要のある燃料電池システムは典型的には、動作条件の変化レートを軽減するために、大規模なエネルギー貯蔵部および／または補助的なエネルギー廃棄（dumping）機構を設けられる。定常状態の動作のために設計された送電網に結び付けられたシステムでは、送電網の障害の場合にのみ使われるそのような設備（故障乗り越え（fault ride through）機能）を含めることは、追加されるコスト、重量およびシステム複雑さに対する追加される価値の点で、明らかに有益ではない。

本発明の目的は、燃料電池デバイスのための制御構成であって、たとえば電気ネットワークにおける電力障害といった例外的な動作条件との関係で燃料電池デバイスの信頼でき、かつ進んだ動作モードを提供するものを達成することである。

これは、燃料電池を用いて電気を生成する燃料電池デバイスの動作条件を制御する制御装置であって、前記燃料電池デバイスにおける各燃料電池はアノード側、カソード側、前記アノード側と前記カソード側の間の電解質を有し、前記燃料電池はスタック・フォーメーションに配置されており、前記燃料電池デバイスは燃料電池にとっての負荷、燃料電池にとっての前記負荷についてのコントローラ、前記燃料電池の本質的な温度情報を判別する手段を有しており、前記燃料電池デバイスは、電気ネットワークに対する電流を生成するために電気ネットワークに並列接続されるよう構成されている、制御装置によって達成される。本制御装置は、正常動作条件および電力不均衡状況の両方において制御可能な熱量として熱量を生成するデバイスとして動作するための、少なくとも一つの制御可能な電気ヒーターと、制御可能な熱量および制御可能な燃料電池量の少なくとも一つを本質的に目標値に制御するための、少なくとも前記燃料電池への空気流および前記スタック環境に加えられる熱の量を、制御可能な燃料電池量として制御する少なくとも二つのコントローラと、前記少なくとも一つの制御可能な電気ヒーターを電力不均衡状況において制御して、前記ヒーターを前記燃料電池デバイスの過剰エネルギーのためのバッファとして動作させるための低レベル高速コントローラとを有する。

本発明の焦点は、燃料電池を用いて電気を生成する燃料電池デバイスの動作条件を制御する制御方法でもある。当該方法では、前記燃料電池についての負荷を制御し、前記燃料電池の本質的な温度情報を判別し、前記燃料電池デバイスを、電気ネットワークに対する電流を生成するために電気ネットワークに並列接続されるよう配置することによって制御する。本方法では、正常動作条件および電力不均衡状況の両方において制御可能な熱量として熱量を生成するデバイスとして動作するための、少なくとも一つの制御可能な電気ヒーターが配置され、また、制御可能な熱量および制御可能な燃料電池量の少なくとも一つを本質的に目標値に制御するための、少なくとも前記燃料電池への空気流および前記スタック環境に加えられる熱の量が、制御可能な燃料電池量として制御され、電力不均衡状況においては、前記少なくとも一つの制御可能な電気ヒーターが、前記燃料電池デバイスの過剰エネルギーのためのバッファとして動作するよう制御される。

本発明は、燃料電池デバイスの熱塊を、電力不均衡条件にすぐに応答することができる制御装置に統合される制御可能な電気ヒーターとともに、エネルギー・バッファとして利用することに基づいている。前記少なくとも一つの制御可能な電気ヒーターを例外的な動作条件の際の過剰エネルギーのためのバッファのはたらきをするよう制御することによって、前記燃料電池デバイスの熱応答時間が利用される。本発明はまた、正常な動作モードおよび電力不均衡状況の両方において、および正常な動作モードから電力不均衡状況へのまた電力不均衡状況から正常な動作モードへの状態変化の間に、システム熱バランスを本質的に制御するために異なる種類の制御可能な量を制御するよう、少なくとも三つのコントローラが一緒に動作する、進んだ制御構成の利用にも基づく。制御設備は、遅延なく自動的に電気ネットワーク変化を検出することができるよう構成される。

本発明の恩恵は、コスト高な追加的なコンポーネントを必要とすることなく、また、正常な電気ネットワーク並列化動作に比べて状態変化または修正されたパラメータ・セットも必要とすることなく、例外的な動作条件での燃料電池装置動作の成功裏の制御が、正常な制御パラメータをもって達成されるということである。

単一の燃料電池構造を示す図である。 燃料電池デバイスの例を示す図である。 本発明に基づくある好ましい実施形態を示す図である。

本発明は、公称上定常状態の高温燃料電池システムの温度バランスを制御するための構成および関係した制御ソリューションを呈示する。前記システムは、システムがたとえば配電網障害のために間欠的にスタンドアローン動作にされる場合の必要性に見合うようシステムの電力出力を均衡させる内在的な機能を有する。本発明は、システムの熱塊を、電力不均衡条件にすぐに応答することができるよう構成された電気ヒーターとともに、エネルギー・バッファとして利用することに基づいている。熱塊は、システムに注入される熱の変化の効果を、実効的に遅延させ、低域通過フィルタリングし、プラント残部（BoP）制御が限られたペースで相応して応答することを許容する。一方、電力需要における高速の過渡現象は、たいていは単に、ヒーター電力の変化によって対処される。

本発明に基づく諸実施形態は、正常な定常状態（送電網、すなわち電気ネットワークに並列されている）動作モードおよび障害乗り越え（スタンドアローン）動作モード、すなわち例外的な動作条件の両方において、前記動作前提における変化（並列からスタンドアローンへまたその逆）に関係して状態変化、パラメータ変化または特別な制御シーケンスを必要とすることなく、システム動作条件を制御し、最適化するための解決策を呈示する。

また、本発明に基づく諸実施形態は、通常は送電網に結び付けられているシステムについて、コスト高な追加的コンポーネントを必要とすることなく、限られた障害乗り越え機能が達成される解決策を呈示する。本発明は、たとえば送電網の障害によって課される例外的な動作条件の間、システムの内在的な熱応答時間を利用して、過剰エネルギーについてのバッファのはたらきをさせる。

以下で使われる参照符号は主として図３を指すが、本発明の好ましい実施形態が本稿においてのちにより詳細に呈示される。

本構成は、スタック温度を制御するための少なくとも二つのコントローラを有する。制御可能量は、スタック入口温度（stack inlet temperature）、空気供給量（amount of air feed）および／または内部改質レート（rate of internal reforming）である。空気供給コントローラ１３８はスタックの温度制御を達成し、スタックを冷却するために必要とされる場合には追加的な空気を提供する。前記制御可能量の少なくとも一つは、少なくとも一つの有意な電気ヒーター１３４ｂの制御１３４ａに関わる。前記ヒーター（単数または複数）１３４ｂは、高速低レベル制御ループによって制御され、燃料電池システムの電力バランス（power balance）に基づいてヒーター１３４ｂ電力を導出する。ヒーター電力は、たとえばシステム中のDC/ACインバーター１４２のDCリンク電圧から導出される。ヒーター１３４ｂの上位レベルの制御は、結果として得られるヒーター電力が必要性に見合うよう、前記参照電圧のための設定点を提供することによって達成される。スタック温度を制御するための第三の、最終的な機構は、公称より上のスタック温度がスタック負荷の低下を引き起こすようなスタックの負荷制御において実装される。

記載される制御構成では、たとえば停電（孤立動作）によって引き起こされる電力バランスにおける突然の（下向きの）変化の際に、電力バランスによって制御されるヒーター１３４ｂが、その変化を補償するために電力においてピークになる。電気ヒーターの低レベルの制御ループはアナログまたは自律的な高速デジタル制御を使って実装されるので、BoP制御論理が反応する必要なしに、電力均衡化効果が生じる。BoP制御によって導出される設定点によってではなくスタック出力と外部負荷の間の電力バランスによって決定されるヒーター電力は、システムの熱条件の制御における一自由度が失われることを表す。システムの熱バランス（thermal balance）は、空気供給、反応器温度およびスタック負荷のような他の手段によっても調整できるので、効率および動作条件の観点からはそれほど最適ではないが、相変わらず均衡を維持することはできる。この非最適性によって引き起こされる低下した効率および上昇した劣化レートは、かかる条件が配電網１２５の停電といった例外的な状況でのみ生じるのであれば、ほとんど重要ではない。

システムの大きな温度時定数のため、ヒーター電力における変化は、システム温度に対して、有意に遅延され低域通過フィルタリングされた効果をもつ。その際、緩慢な温度上昇は、たとえば空気供給を増し、最終的には上昇した温度に対するスタック負荷の低下による正常なBoP制御によって、補償できる。電気加熱電力が直接的にスタック出力と外部負荷との間の差に依存するので、スタック出力の低下は、スタックにおける内部熱生成および電気ヒーターにおける外部加熱の両方を減らし、こうして事実上、システムを新しい熱平衡状態に向かわせる。システムの熱時定数は比較的長いので（数分から数十分まで）、スタック温度に基づいてスタック負荷を制御する上記の機構はスタック負荷におけるゆっくりした過渡現象を引き起こすだけであり、そのような過渡現象は、十分、プラント残部（BoP）システム全体の応答能力の範囲内である。結果として、過渡的（孤立モード）条件におけるBoP制御は、正常な、送電網と並列した動作に比べて、状態変化や修正されたパラメータ・セットの必要なしに、通常のBoP制御パラメータによって扱うことができる。ひとたびシステムが送電網と並列した動作に戻ったら、BoP制御は失われた制御（ヒーター）（１３４ａ）の自由度を取り戻し、再びシステムは最適な動作条件に向けて努力できるようになる。このように、DC/ACインバーターだけが、孤立および送電網に並列された動作に関係した動作モード遷移のための特別な制御を実装する必要がある。本方法はまた、すべてのシステム内部および可能な外部の負荷がシステム内部のDC電圧から供給を受けることができる場合には、孤立モード機能のあるDC/ACインバーターなしに利用されることもできる。

システムが負荷変化に反応する能力は、ヒーター１３４ｂの寸法およびデューティー比率によって決定される。ある時点においてヒーターに加えられる電力は、システムが応答できる、負荷における最大許容可能な上向き段差（step）を表す。一方、ヒーターにおける「未使用」の加熱能力は、スタック電流の突然の減少を引き起こすことなくシステムが扱うことのできる、負荷における最大の下向きの段差に対応する。通常そうであるようにスタックおよびBoPがスタック負荷における突然の低下を扱うことができるなら、たとえば孤立モードへの遷移の瞬間には、負荷における一層大きな下向きの段差も受け入れられることができる。過渡応答マージン、すなわち電気加熱電力は、外部負荷に依存して所望されるヒーター・デューティー、たとえば20〜50%が達成されるよう、スタック空気供給および／または外部水供給、アノード循環または反応器温度といったシステム熱バランスに影響する他の機構を調整することによって最適化されることができる。システム熱バランスを変調する能力は、熱交換レートの低下を許容する熱交換器に対するバイパスを加えることによって、有意に向上させることができる。

本発明の好ましい実施形態（図３）では、システムのヒートアップおよび電力バランス調整を容易にするため、電気チャネル・ヒーター１３４ｂが、復熱用（recuperating）空気‐空気熱交換器２９後にカソード入口ストリームを加熱するよう構成される。加熱を補償するためにカソード１０２入口ストリームの温度を下げるとともに、寿命末期状態にあるスタックにおける増大した熱生成のためのマージンを提供することを許容するよう、前記熱交換器の入口側に対して、制御可能な冷気バイパス・ストリーマー１４４が配置される。前記冷気バイパス・ストリーマー１４４の制御は、コントローラ１３７によって実行される。上位レベルの温度コントローラ１３５は、スタック１０３への給送（feed-in）温度を要求し、コントローラ１３７に制御値情報を提供する。

ヒーター１３４ｂは、パルス幅変調（PWM: pulse width modulation）において半導体スイッチ・デバイスによって制御される。ここで、変調比は、DC/ACインバーター１４２DCリンク電圧の測定される値と提供される設定点との間の差に比例する。ヒーター１３４ｂは、高速のPWM制御を許容するために、DCリンクまたは燃料電池DC電圧からのDCをもって動作させられる。ヒーダー１３４ｂ電力の上位レベルの制御は、ヒーター１３４ｂへの前記DCリンク電圧設定点を提供することによって許容可能な限界内でカソード１０２入口温度を調整することによって、スタック温度を制御するスタック入口温度コントローラ１３６によって処理される。正常な送電網１２５と並列している動作では、DC/ACインバーター１４２はDCリンク電圧を一定レベルに維持し、それによりヒーター電力はひとえに、前記上位レベルのコントローラの制御出力によって決定される。送電網障害の場合、DC/ACインバーターは、DCリンク電圧を安定化させる機能を失い、それによりシステムからの過剰なエネルギーがDCリンク電圧を上昇させ、これは、低レベル電気ヒーター・コントローラ１３４ａによって、ヒーター１３４ｂにおいて過剰なエネルギーを消費することによって対抗される。

本発明の好ましい実施形態はさらに、記述されるスタック入口温度コントローラ１３６と協働してスタック温度を制御する空気供給コントローラ１３８を有する。これにより、スタック入口温度コントローラ１３６がスタック温度の上昇を防ぐことができない場合に、空気供給がその最小値より増大させられる。

さらに、燃料電池デバイスは、スタック電流を定義された出力点に向けて漸進変化させる（ramping）が、スタック入口温度コントローラ１３６および空気供給コントローラ１３８の両方ともがスタックの温度上昇を制限し損なう場合には電流を低下させる負荷コントローラ１３０を有する。みな同じ量、すなわちスタック温度を制御する三つのコントローラ１３４ａ、１３６、１３８の適正な優先順位および相互作用は、異なるコントローラについてわずかにオフセットされた設定点を各コントローラの適正に同調された比例および積分動作と組み合わせて使うことで達成できる。

図３では、本発明に基づくある好ましい実施形態が示されている。図３は、きわめて概略的な図で燃料電池デバイスを示している。そこに含まれる燃料電池ユニット１０３は、一連の直列接続された燃料電池１０３から構成される一つまたは複数の燃料電池スタックを有する。燃料電池１０３はアノード側１００、カソード側１０２および両者の間に設けられた電解質１０４ならびに個々の燃料電池の間に設置される接続板、いわゆる相互接続（interconnect）（図示せず）を有する。明確のため、図３では、単一の燃料電池１０３の形の一つの燃料電池スタックしか示していない。燃料電池スタックの数はある値に制限されない。多数のまたさらには単一のスタックを使うこともできる。

この好ましい実施形態では、アノード側１００は概括的に、燃料電池ユニット１０３の燃料電池に含まれるアノード電極と、燃料の観点から、燃料電池ユニット１０３の境界内の燃料を実際の個々の燃料電池のアノードにおよびアノード１００からガスをさらに伝導して逃がすためのコンポーネントまで伝導するためのコンポーネントとの両方を指す。対応して、カソード側１０２は、カソード電極と、燃料電池ユニット１０３の境界内のカソードにおよび該カソードから空気を伝導するために設けられるコンポーネントとを指す。

さらに、アノード側１００に燃料ガスを供給するために、アノード側は、ここでは単に供給線１０によって表される、供給手段を設けられる。図３では、燃料は、線１０ａを通じて燃料電池デバイスにはいり、ここではまず脱硫器３に行く。線１２における可能なリサイクルされた燃料および線１０ｂから来る蒸気とともに、形成された流れは次に前置改質器４または同様の可能な燃料前処理装置にはいる。

同様に、アノード側７から出ていく使用された燃料ガスを燃料電池ユニットから排出させる手段が設けられる。ここで、これらは単に排出線１１によって表されている。むろん、１０、１１のような線が複数あってもよい。次いで、出口流れ１１は、線１０におけるはいってくる供給燃料をヒートアップするために熱交換器手段３０を介して案内される。燃料の一部は線１２を通じてリサイクルされ、残りはアフターバーナー３１に導かれる。その熱は、中でも、ユニット２１において蒸気を生成するのに使われ、その蒸気は前置改質器４において使われるべく線１０ｂ中に導かれる。

カソード側１０２では、空気が線１４を通じて供給され、次いで燃料電池スタック１０３に、さらに個々の燃料電池２に送達されるよう分割される。対応して、燃料電池２からきて、それにより出口流れ１５を構成する空気は、燃料スタック・コンパートメントを出て、その後、復熱器（recuperator）ユニット２９を介して供給空気流１４をヒートアップするために流れる。ここではまた、すべての配管は、明確のために単一の線によって呈示されている。

さらに、図３では、電気ネットワークに対して電流を生成するために電気ネットワーク１２５に並列接続されている燃料電池デバイスの動作条件を制御するためのある好ましい制御構成が呈示されている。燃料電池デバイスは、燃料電池１０３のための負荷１２６と、燃料電池のための前記負荷のためのコントローラ１３０とを有する。

この制御構成ではまた、燃料電池１０３の本質的な温度情報（temperature information）を判別する手段１３２も呈示されている。前記手段１３２としては、セ氏数百度の温度、たとえばセ氏100〜1000度の温度を測定できる温度測定装置が使用される。温度情報は、たとえば燃料デバイス・プロセス流れからの温度測定情報および燃料電池スタック状態に関係した他の本質的な情報を利用することによって、たとえば制御コンピュータにおけるまたは他の何らかのプロセッサにおける計算プロセスにおいて達成することもできる。他の本質的な情報とは、たとえば組成、負荷および利用率（utilization rate）情報といったものである。この制御構成は、スタック負荷を制御するためのコントローラ１３０を有する。前記コントローラは、前記本質的な温度情報が限界値を超える場合に、負荷削減を実行することができる。

本発明の好ましい実施形態（図３）では、種々の制御タスクを実行するために、たとえばPID（Proportional-Integral-Derivative［比例・積分・微分］）コントローラ１３０、１３４ａ、１３５、１３６、１３７、１３８が使われる。文字記号spはコントローラへの設定点（setpoint）を表し、pvはコントローラへのプロセス値（process value）を表す。これらはいずれも、燃料電池デバイスの制御プロセスからコントローラ１３０、１３４ａ、１３５、１３６、１３７、１３８への入力値である。文字記号cvはコントローラの制御値（control value）を表す。制御値（cv）はコントローラ１３０、１３４ａ、１３５、１３６、１３７、１３８から燃料電池デバイスの制御プロセスへの出力値である。本発明の目的を達成するために、コントローラ１３０、１３４ａ、１３５、１３６、１３７、１３８としては、他の型のフィードバック・コントローラを使うこともできる。

本構成では、正常な動作条件および電力不均衡状況の両方において制御可能な熱量として熱量を生成するデバイスとして動作するために、少なくとも一つの制御可能な電気ヒーター１３４が利用される。好ましい実施形態では、前記少なくとも一つの制御可能な電気ヒーター１３４は、燃料電池デバイスの電力バランスに基づいてヒーター１３４ｂ電力を導くことによって、低レベル高速コントローラ１３４ａによって制御される。好ましくは、コントローラ１３４ａは、電気ヒーター１３４ｂの制御において、パルス幅変調（PWM）を利用する。本発明に基づく制御構成は、制御可能な熱量および制御可能な燃料電池量を目標値に制御するために、制御可能な燃料電池量として、少なくとも、燃料電池１０３への空気流および燃料電池スタック環境に加えられる熱の量を制御するためにコントローラ１３４ａ、１３５、１３６、１３７、１３８の少なくとも二つを利用する。好ましい実施形態（図３）では、燃料電池１０３への空気流の前記制御される量は、燃料電池１０３のカソード側１０２への空気流の量を意味する。いずれも本制御構成のユーザーによって設定される温度設定点情報および流れ（current）設定点情報は、前記制御可能な量の少なくとも一つを前記目標値に制御することにおいて利用される。制御可能な量としてはまた、以下の量のうちの少なくとも一つが利用されることができる：燃料電池１０３への入口空気温度および燃料電池デバイスにおける内部改質のレート値（rate value）。

電気ネットワークにおいて機能不全が存在するとき、本発明に基づく制御構成は、燃料電池デバイスの出力電圧のレベルを追跡する低レベル高速コントローラ１３４ａによって、自動的かつすぐに、システム内の電力不均衡状況に気づくことができる。電力不均衡状況では、低レベル高速コントローラ１３４ａは、前記少なくとも一つの電気ヒーター１３４ｂを、燃料電池デバイスの過剰なエネルギーのためのバッファとして動作させるよう利用される。低レベル高速コントローラ１３４ａとしては、好ましくは、プロセス値における変化に対して急速な（たとえばミリ秒程度の）制御値応答を提供することができる、PIDコントローラ（比例・積分・微分コントローラ）の特別な型であるP（proportional［比例］）型コントローラが使用される。電気ネットワークの前記機能不全は、非常に短期（たとえば電圧スパイク）、長期（停電）という継続時間に依存して変わりうる。機能不全が電気ネットワークから除去されたとき、本制御構成は、好ましくは自動的かつすぐに、たとえば電気ネットワーク１２５における電圧変化を追跡することによって、その新しい状況も検出することができ、燃料電池デバイスの動作はできるだけ速く正常な状況に戻される。ここで、たとえば、スタック入口温度コントローラ１３６が、制御可能なヒーター１３４ｂの電力を制御するよう戻り、燃料電池デバイスが電流を電気ネットワーク１２５に供給する。本発明の好ましい実施形態は、このように、種々の電気ネットワークに接続可能な燃料電池デバイス用途のための自動的にネットワーク対話的な電力バランサーとして任じられることもできる。したがって、電気ネットワークは、単相、二相、三相などであることができ、交流ネットワークおよびDC電力ネットワークが関連することができる。

上記では図面を用いてSOFC燃料電池デバイスが呈示されているが、本発明に基づく実施形態は異なる種類の燃料電池デバイスにおいて利用されることができることは注意しておくべきである。本発明の好ましい実施形態では、電気ネットワークは最も普通には、一般的な電力分配ネットワークであることが意図されており、燃料電池デバイスによって生成されたDC電気は前記ネットワークに、たとえば三相DC-AC変換を通じて供給される。本発明に基づく諸実施形態において、多くの種類の電気ネットワーク用途が実現でき、よって、たとえばDC-AC変換はすべての用途で必要とされるわけではない。

本発明は、付属の図面および明細書を参照して呈示されたが、本発明は決してそれらに限定されるものではなく、本発明は請求項によって許容される範囲内の変形がありうる。

いくつかの態様を記載しておく。
〔態様１〕
燃料電池（１０３）を用いて電気を生成する燃料電池デバイスの動作条件を制御する制御装置であって、前記燃料電池デバイスにおける各燃料電池はアノード側（１００）、カソード側（１０２）、前記アノード側と前記カソード側の間の電解質（１０４）を有し、前記燃料電池はスタック・フォーメーションに配置されており、前記燃料電池デバイスは、燃料電池にとっての負荷（１２６）、燃料電池にとっての前記負荷についてのコントローラ（１３０）、前記燃料電池の本質的な温度情報を判別する手段（１３２）を有しており、前記燃料電池デバイスは、電気ネットワークに対する電流を生成するために電気ネットワーク（１２５）に並列接続されるよう構成されており、
当該制御装置は、正常動作条件および電力不均衡状況の両方において制御可能な熱量として熱量を生成するデバイスとして動作するための、少なくとも一つの制御可能な電気ヒーター（１３４ａ、１３４ｂ）と、制御可能な熱量および制御可能な燃料電池量の少なくとも一つを本質的に目標値に制御するための、少なくとも前記燃料電池（１０３）への空気流および前記スタック環境に加えられる熱の量を、制御可能な燃料電池量として制御する少なくとも二つのコントローラ（１３４、１３５、１３６、１３７、１３８）と、前記少なくとも一つの制御可能な電気ヒーター（１３４ｂ）を電力不均衡状況において制御して、前記ヒーターを前記燃料電池デバイスの過剰エネルギーのためのバッファとして動作させるための低レベル高速コントローラ（１３４ａ）とを有することを特徴とする、
制御装置。
〔態様２〕
当該制御装置が、前記少なくとも一つのコントローラ（１３４、１３５、１３６、１３７、１３８）の機能において温度設定点情報を利用する手段（１４２）を有することを特徴とする、態様１記載の制御装置。
〔態様３〕
当該制御装置が、前記少なくとも一つのコントローラ（１３４、１３５、１３６、１３７、１３８）の機能において流れ設定点情報を利用する手段（１４４）を有することを特徴とする、態様１記載の制御装置。
〔態様４〕
当該制御装置が：前記燃料電池（１０３）への入口空気温度および前記燃料電池デバイスにおける内部改質のレート値の少なくとも一方を制御可能量として有することを特徴とする、態様１記載の制御装置。
〔態様５〕
当該制御装置が、前記燃料電池デバイスの電力バランスに基づいて前記ヒーター（１３４ｂ）電力を導出することによって前記少なくとも一つの制御可能な電気ヒーター（１３４）を制御するために前記低レベル高速コントローラ（１３４ａ）を有することを特徴とする、態様１記載の制御装置。
〔態様６〕
当該制御装置が、パルス幅変調（PWM）を利用して前記少なくとも一つの制御可能な電気ヒーター（１３４）を制御するための半導体スイッチ・デバイス（１４６）を有することを特徴とする、態様１記載の装置。
〔態様７〕
当該制御装置が、スタック負荷を制御するために前記コントローラ（１３０）を有し、前記コントローラは、前記本質的な温度情報が限界値を超える場合に負荷削減を実行できることを特徴とする、態様１記載の方法。
〔態様８〕
燃料電池（１０３）を用いて電気を生成する燃料電池デバイスの動作条件を制御する制御方法であって、該制御は、当該方法において前記燃料電池についての負荷（１２６）を制御すること、前記燃料電池の本質的な温度情報を判別すること、および前記燃料電池デバイスを、電気ネットワークに対する電流を生成するために電気ネットワーク（１２５）に並列接続されるよう配置することによって制御することによって行い、
当該方法において、正常動作条件および電力不均衡状況の両方において制御可能な熱量として熱量を生成するデバイスとして動作する、少なくとも一つの制御可能な電気ヒーター（１３４）が配置され、また、制御可能な熱量および制御可能な燃料電池量の少なくとも一つを本質的に目標値に制御するための、少なくとも前記燃料電池（１０３）への空気流および前記スタック環境に加えられる熱の量が、制御可能な燃料電池量として制御され、電力不均衡状況においては、前記燃料電池デバイスの過剰エネルギーのためのバッファとして動作するよう前記少なくとも一つの制御可能な電気ヒーター（１３４）が制御されることを特徴とする、
方法。
〔態様９〕
前記制御可能な熱量および制御可能な燃料電池量の少なくとも一つの制御において温度設定点情報が利用されることを特徴とする、態様８記載の方法。
〔態様１０〕
前記制御可能な熱量および制御可能な燃料電池量の少なくとも一つの制御において流れ設定点情報が利用されることを特徴とする、態様８記載の方法。
〔態様１１〕
前記燃料電池（１０３）への入口空気温度および前記燃料電池デバイスにおける内部改質のレート値の少なくとも一方が制御可能量として利用されることを特徴とする、態様８記載の方法。
〔態様１２〕
前記少なくとも一つの制御可能な電気ヒーター（１３４）が、前記燃料電池デバイスの電力バランスに基づいて前記ヒーター（１３４ｂ）電力を導出することによって制御されることを特徴とする、態様８記載の方法。
〔態様１３〕
前記少なくとも一つの制御可能な電気ヒーター（１３４）が、パルス幅変調（PWM）を利用して制御されることを特徴とする、態様８記載の方法。
〔態様１４〕
スタック負荷が、前記本質的な温度情報が限界値を超える場合に負荷削減を実行することによって制御されることを特徴とする、態様８記載の方法。

Claims (2)

1. 燃料電池（１０３）を用いて電気を生成する燃料電池デバイスの動作を制御する制御装置であって、前記燃料電池デバイスにおける各燃料電池はアノード側（１００）、カソード側（１０２）、前記アノード側と前記カソード側の間の電解質（１０４）を有し、前記燃料電池はスタック・フォーメーションに配置されており、前記燃料電池デバイスは、電力変換器手段（１４０）を介して燃料電池スタック電流を制御するコントローラ（１３０）、前記燃料電池の温度情報を判別する手段（１３２）を有しており、前記燃料電池デバイスおよび送電網は外部負荷（１２６）に並列に接続されていて前記燃料電池デバイスは前記送電網に対して電流を供給でき、
   当該制御装置は、
   前記コントローラ（１３０）を有し、前記コントローラは、前記温度情報が限界値を超える場合に燃料電池スタック電流を削減することができるよう構成されており、
   当該制御装置は、
   正常動作条件および電力不均衡状況の両方において制御可能な熱量を生成するための、少なくとも一つの制御可能な電気ヒーター（１３４ａ、１３４ｂ）と、
   前記燃料電池デバイスの電力バランスおよび熱バランスを同時に制御するよう制御可能な燃料電池パラメータ値を目標値に制御するための、少なくとも前記燃料電池（１０３）への空気流およびスタック環境に加えられる熱の量を含む制御可能な燃料電池パラメータ値を制御する少なくとも二つのコントローラ（１３４、１３５、１３６、１３７、１３８）とを有し、
   当該制御装置は、DC/ACインバーターのDCリンク電圧の測定された値と電圧設定値との間の差に基づいて前記電気ヒーター（１３４ｂ）電力を導出することによって前記少なくとも一つの制御可能な電気ヒーター（１３４ｂ）を電力不均衡状況において制御して、前記電気ヒーターを前記燃料電池デバイスの過剰エネルギーのためのバッファとして動作させるための高速半導体コントローラ（１３４ａ）を有することを特徴とする、
   制御装置。
2. 燃料電池（１０３）を用いて電気を生成する燃料電池デバイスの動作を制御する制御方法であって、該制御は、当該方法において電力変換器手段（１４０）を介して燃料電池スタック電流をコントローラ（１３０）が制御すること、前記燃料電池の温度情報を判別すること、および前記燃料電池デバイスおよび送電網を外部負荷（１２６）に並列に接続して前記燃料電池デバイスが前記送電網に対して電流を供給できるようにすることによって行い、
   前記コントローラによる燃料電池スタック電流の制御は、前記温度情報が限界値を超える場合に燃料電池スタック電流を削減することができ、
   当該方法において、正常動作条件および電力不均衡状況の両方において制御可能な熱量を生成する、少なくとも一つの制御可能な電気ヒーター（１３４）が配置され、また、
   前記燃料電池デバイスの電力バランスおよび熱バランスを同時に制御するよう制御可能な燃料電池パラメータ値を目標値に制御するための、少なくとも前記燃料電池（１０３）への空気流およびスタック環境に加えられる熱の量を含む制御可能な燃料電池パラメータ値が制御され、
   電力不均衡状況においては、DC/ACインバーターのDCリンク電圧の測定された値と電圧設定値との間の差に基づいて前記電気ヒーター（１３４ｂ）電力を導出することによって前記燃料電池デバイスの過剰エネルギーのためのバッファとして前記電気ヒーターを動作させるよう前記少なくとも一つの制御可能な電気ヒーター（１３４）が制御されることを特徴とする、
   方法。

Images