(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の公称動作モード（３０２）における公称電圧値よりも高い燃料電池電圧値での高温燃料電池デバイスの改善された動作のための配置であって、前記燃料電池デバイスにおける夫々の燃料電池は、アノード側、カソード側、及び前記アノード側と前記カソード側との間にある電解質を有し、当該配置は、前記燃料電池を少なくともそれらの定格電力レベルに至るまでロードする主電力コンバータを有し、該主電力コンバータはガルバニック絶縁を有する、配置において、
燃料電池電圧が前記公称電圧よりも高くなる場合の、少なくとも起動時及び低電流負荷状態における実質的に低い電力レベルで、前記主電力コンバータが使用可能な電圧レベルへ前記燃料電池電圧を下げるための非絶縁型前置レギュレータを有し、
前記前置レギュレータは、前記燃料電池と前記主電力コンバータとの間に配置され、前記公称動作モードにおける公称電流の部分的な負荷電流に合わせて設計され、
当該配置は、前記燃料電池電圧が前記主電力コンバータの入力電圧に適した電圧レベルに下がった場合に、実質的に高い電流負荷で前記前置レギュレータをバイパスするためのバイパス手段を有する、
ことを特徴とする配置。
【請求項２】
前記主電力コンバータの最大許容入力電圧は、最大燃料電池電圧よりも低い、
ことを特徴とする請求項１に記載の配置。
【請求項３】
前記前置レギュレータの最大許容電流は、前記燃料電池の定格電流の５０％よりも低い、
ことを特徴とする請求項１に記載の配置。
【請求項４】
前記バイパス手段は、当該バイパス手段の動作モードを変更するのに必要とされるスイッチング動作のためのリレーメカニズムを有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の配置。
【請求項５】
前記主電力コンバータは、双方向電力フローを実行する手段を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の配置。
【請求項６】
前記燃料電池へ電解電流を投入するよう動作するブーストモードのための前記前置レギュレータを有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の配置。
【請求項７】
燃料電池の公称動作モード（３０２）における公称電圧値よりも高い燃料電池電圧値での高温燃料電池デバイスの改善された動作のための方法であって、ガルバニック絶縁される主電力コンバータによって前記燃料電池が少なくともそれらの定格電力レベルに至るまでロードされる、方法において、
前記公称動作モードにおける公称電流の部分的な負荷電流に合わせて設計される非絶縁型前置レギュレータが前記燃料電池と前記主電力コンバータとの間に配置され、前記前置レギュレータを用いることによって、燃料電池電圧が前記公称電圧よりも高くなる場合の、少なくとも起動時及び低電流負荷状態における実質的に低い電力レベルで、前記主電力コンバータが使用可能な電圧レベルへ前記燃料電池電圧が下げられ、前記前置レギュレータは、前記燃料電池電圧が前記主電力コンバータの入力電圧に適した電圧レベルに下がった場合に、実質的に高い電流負荷でバイパスされる、
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記主電力コンバータの最大許容入力電圧は、最大燃料電池電圧よりも低い、
ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記前置レギュレータの最大許容電流は、前記燃料電池の定格電流の５０％よりも低い、
ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記前置レギュレータのバイパスは、スイッチング動作のためのリレーメカニズムを用いる、
ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記主電力コンバータを用いることによって、双方向電力フローが実行される、
ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記前置レギュレータの動作のブーストモードにおいて、前記燃料電池へ電解電流が投入される、
ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
燃料電池デバイスは、多種多様な電力生産ニーズを満たすことにおいて一般的になりつつある。燃料電池デバイスは、電気エネルギを生成するための反応物質を供給された電気化学デバイスである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池デバイスは電気化学デバイスであり、環境に優しい工程において高いデューティ比を有する電力の生産を可能にする。燃料電池技術は、最も将来前途有望なエネルギ生産方法の１つとして考えられている。
【０００３】
図１において提示される燃料電池は、アノード側１００及びカソード側１０２と、それらの間にある電解質材料１０４とを有する。燃料電池デバイスへ与えられる反応物質は、電気エネルギ及び熱が発熱反応の結果として生成される工程を経験する。
【０００４】
固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）（solid  oxide  fuel  cells）において、酸素１０６がカソード側１０２へ供給され、それは、カソードから電子を受け取ることによって負酸素イオンに還元される。負酸素イオンは、電解質材料１０４を通ってアノード側へ至り、そこで、水と、一般的に二酸化炭素（ＣＯ２）とを生成しながら使用済み燃料１０８と反応する。アノードとカソードとの間には、カソードへ電子を運ぶ外部電気回路１１１がある。外部電気回路は負荷１１０を有する。
【０００５】
図２にはＳＯＦＣデバイスが提示されている。ＳＯＦＣデバイスは、例えば、天然ガス、バイオガス、メタノール、又は炭化水素を含む他の化合物を燃料として利用することができる。図２におけるＳＯＦＣデバイスは、スタック構造１０３において平面状燃料電池を有する（ＳＯＦＣスタック）。夫々の燃料電池は、図１において提示されるように、アノード１００及びカソード１０２構造を有する。使用済み燃料の一部は、夫々のアノードを介してフィードバック配置１０９において再循環される。
【０００６】
図２におけるＳＯＦＣデバイスは、燃料熱交換器１０５及び改質装置１０７を有する。熱交換器は燃料電池工程における温熱条件を制御するために使用され、それらの１よりも多くがＳＯＦＣデバイスの様々な位置付けにおいて配置される。循環ガスにおける余分の熱エネルギは、ＳＯＦＣデバイスにおいて又は熱回復ユニットの外部で利用されるよう、熱交換器１０５において回復される。熱回復ための熱交換器は、このように、図２において提示されるような様々な位置付けにおいて配置することができる。改質装置は、例えば天然ガスのような燃料を燃料電池に適した化合物へ、例えば、半分が水素で残り半分がメタンである化合物へ変化させる装置である。しかし、改質装置は、未処理の燃料も燃料電池１０３へ直接に供給されてよいので、全ての燃料電池実施において必須ではない。
【０００７】
測定手段１１５（例えば、燃料フローメーター、電流計及び温度計）を用いることによって、アノードを通って再循環するガスからの、ＳＯＦＣデバイスの動作のための必要な測定が行われる。燃料電池１０３のアノード１００（図１）で使用されるガスの一部しかフィードバック配置１０９においてアノードを通って再循環されず、従って、図２においては、ガスの残りの部分１０４は排気されるように図式的に提示されている。
【０００８】
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バランスオブプラント（ＢｏＰ）（balance  of  plant）設備の重要な機能の１つである。燃料電池スタックのヒートバランスは、内部改質、燃料電池反応、反応物質のフローによる熱輸送、及び周囲構造との直接的な熱交換を含む多くのメカニズムによって影響を及ぼされる。温度バランスの制御ための典型的な方法は、内部変質レートの調整と、エアフロー及びカソード吸気口温度の調整とを含む。システムヒーターは、加熱抵抗若しくはガスバーナー又はそれらの組み合わせを有する電気ヒーターとして実施され得る。電気ヒーターの利点には、優れた制御性と、加熱される反応物質ストリーム又は構造に直接にそれらを置く能力とがある。電気ヒーターの欠点は、特に高温ヒーターの場合において、地絡電流を発生させる傾向がある点である。高温電気デバイスである燃料電池スタックはまた、それらの反応物質供給、支持構造及び負荷配置における絶縁配置に依存して有意な地絡電流を発生させることがある。
【０００９】
高温燃料電池（ＭＣＦＣ，ＳＯＦＣ）は、６００〜１０００℃の範囲にある動作温度を有する。適切な動作のための十分な伝導性、すなわち、燃料電池から電流を引き込むのに十分に低い比面積抵抗（ＡＳＲ）（area  specific  resistance）を達成するために、高い温度が必要とされる。そのような公称動作温度より下では、燃料電池はＡＳＲの増大を経験し、これにより、電池から引き込まれ得る電流の量が制限される。電池における熱生成は電流に比例するので、動作温度を保つための燃料電池内の十分な熱生成は、比較的高い電流となるまで達成され得ない。一般的に、公称電流の５０％又はそれ以上が、スタック内の熱生成が熱除去のメカニズムを補償するのに十分である前に、必要とされる。熱除去のためのメカニズムは、燃料電池アノードで起こる吸熱反応（内部改質）、反応物質フローによる熱輸送、及び周囲への熱伝達を含む。
【００１０】
スタックが低温で内部加熱することができない結果として、燃料電池が、更に加熱をもたらすほど十分に大きい電流を可能にするそれらの公称動作温度に比較的近くなるまで、熱がシステム起動時に外部源から適用される必要がある。起動中に外部からの熱を燃料電池スタックへ適用する便利な方法は、手ごろな価格で配置に関して優れた制御性及び柔軟性を提供する電気ヒーターを利用することである。言い換えると、電気ヒーターの価格及び複雑さは、ヒーターが動作するのに必要とされる最大温度及び熱デューティと強く関連する。従って、燃料電池を公称温度近くまで加熱するために電気ヒーターから必要とされる最後の数十度は、それらの寸法出しのために決定することになる。達成される必要がある最大温度における又はこの温度で供給される必要がある熱デューティにおける小さな低減は、システムの小型化及びヒーターのサイズ設定に対して有意な影響を有し、よって、経済的費用も削減する。
【００１１】
一般的に、スタック内の熱除去のための最も有意なメカニズムは、メタンが強吸熱反応工程において蒸気、すなわちＨ２Ｏと反応する、水素及び一酸化炭素への内部蒸気変質である：
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ２
燃料電池の公称動作の間、この熱除去メカニズムは、他の手段（例えば、過剰空気供給）によるスタック冷却の必要性を低減するのに有効である。典型的なシステムにおいて、内部変質は、スタック反応からの熱除去の７５％又はそれ以上までを占める。システム加熱の間、内部変質の冷却効果は、言い換えると、外部源（例えば、電気ヒーター）から供給される必要がある熱量を増大させるので、明らかに悪影響である。内部変質の量は、燃料供給と、スタックの外ですなわち前置改質装置において起こる変質の範囲とに依存する。前置改質装置がない場合、又は断熱型の前置装置の場合、内部改質の大部分はスタックにおいて起こり、よって、燃料供給に比例した有意な冷却効果を提供する。言い換えると、燃料供給は、システム燃料利用が狭い範囲、一般的に７５〜８５％において保たれるのがより良いので、本質的に電流に比例する。
【００１２】
他の主たる問題は、燃料電池電圧が負荷電流の関数として線形に減衰しないことである。負荷電圧の始動段階では、公称負荷条件よりもずっと高い。パワーエレクトロニクスは起動時の高電圧に耐えるよう設計される必要がある。これはしばしば、定格電圧が高い部品ほど公称負荷条件において相当により高い電力損失に苦しむので、最適でない部品選択をもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、経済的費用の削減及び電力損失の低下の両方において燃料電池デバイスのパワーエレクトロニクスの節約を達成することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
蒸気の目的は、公称電圧値よりも高い燃料電池電圧値での高温燃料電池デバイスの改善された動作のための配置であって、前記燃料電池デバイスにおける夫々の燃料電池は、アノード側、カソード側、及び前記アノード側と前記カソード側との間にある電解質を有する配置によって達成され、当該配置は、前記燃料電池の必須温度情報を決定する手段と、前記燃料電池を少なくともそれらの定格電力レベルに至るまでロードする主電力コンバータとを有する。当該配置は、燃料電池電圧が公称動作条件におけるよりも有意に高い場合に、少なくとも起動時及び低電流負荷状態における実質的に低い電力レベルで前記主電力コンバータが使用可能な電圧レベルへ前記燃料電池電圧を下げる非絶縁型前置レギュレータを有し、前記前置レギュレータは、前記燃料電池と前記主電力コンバータとの間に配置され、当該配置は、前記燃料電池電圧が前記主電力コンバータの入力電圧に適した電圧レベルに下がった場合に、実質的に高い電流負荷で前記前置レギュレータをバイパスするバイパス手段を有する。
【００１５】
本発明の焦点はまた、公称電圧値よりも高い燃料電池電圧値での高温燃料電池デバイスの改善された動作のための方法であって、燃料電池の必須温度情報が決定され、主電力コンバータによって前記燃料電池が少なくともそれらの定格電力レベルに至るまでロードされる方法である。当該方法において、前置レギュレータは前記燃料電池と前記主電力コンバータとの間に配置され、前記前置レギュレータを用いることによって、燃料電池電圧が公称動作条件におけるよりも有意に高い場合に、少なくとも起動時及び低電流負荷状態における実質的に低い電力レベルで前記主電力コンバータが使用可能な電圧レベルへ前記燃料電池電圧が下げられ、前記前置レギュレータは、前記燃料電池電圧が前記主電力コンバータの入力電圧に適した電圧レベルに下がった場合に、実質的に高い電流負荷でバイパスされる。
【００１６】
本発明は、前記燃料電池と前記主電力コンバータとの間に配置される非絶縁型前置レギュレータの利用に基づき、燃料電池電圧が公称動作条件におけるよりも有意に高い場合に、少なくとも実質的に低い電力レベルで前記主電力コンバータが使用可能な電圧レベルへ前記燃料電池電圧を下げる。次いで、前記非絶縁型前置レギュレータは、前記燃料電池電圧が前記主電力コンバータの入力電圧に適した電圧レベルに下がった場合に、実質的に高い電流負荷でバイパスされる。
【００１７】
本発明の主たる利点は、パワーエレクトロニクス部品がより低い電圧値に対して寸法決め可能であり、よって、経済的節約が達成される。例えば３００Ｖで寸法決めされたパワーエレクトロニクス部品は公称動作条件において５００Ｖで寸法決めされたパワーエレクトロニクス部品よりも電力損失が５０％低いので、電力損失は公称動作条件において著しく最小限とされる。これは、高温燃料電池デバイスの冷却必要性を低減し、システムサイズはより小型化され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】単一の燃料電池構造を表す。
【図２】燃料電池デバイスの例を表す。
【図３】本発明に従う望ましい実施形態を表す。
【図４】高温燃料電池デバイスの起動工程の例となる曲線図を表す。
【図５】双方向電力フローのためのＤＣ−ＤＣコンバータトポロジを表す。
【図６】燃料電池しタックの改善された加熱のための実施形態を表す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図３には、本発明に従う望ましい配置が表されている。この配置は、公称電圧よりも高い燃料電圧値での高温燃料電池デバイスの改善された動作に焦点を当てる。配置は、燃料電池１０３の必須温度情報を決定する手段１３２を有する。燃料電池は、複数の燃料電池スタック１０３を有するスタック構造において配置されている。手段１３２は、先行技術の温度測定技術を用いることによって実施されてよい。主電力コンバータ１２３、すなわち絶縁型電力段１２３の機能は、燃料電池スタック１０３を少なくともそれらの定格電力レベルに至るまでロードするよう負荷電流を生成することである。本発明に従う望ましい配置において、主電力コンバータ１２３の最大許容入力電圧は、最大燃料電池電圧よりも低い。更に、配置は、非絶縁型前置レギュレータ１２２を有する。非絶縁型前置レギュレータ１２２は、燃料電池スタック１０３と主電力コンバータ１２３との間に配置される。前置レギュレータ１２２は、主電力コンバータ１２３が使用可能な電圧レベルへ燃料電池電圧を下げる。これは、燃料電池電圧が公称動作条件においてよりも有意に高い場合に、少なくとも起動状態及び低電流負荷状態における実質的に低い電力レベルで行われる。
【００２０】
燃料電池電圧が主電力コンバータ１２３の入力電圧に適した電圧レベルまで下がった場合に実質的に高い電流負荷で、バイパス手段４０８は前置レギュレータ１２２をバイパスするために使用される。望ましい配置において、バイパス手段４０８は、バイパス手段４０８の動作モードを変更するのに必要とされるスイッチング動作のためのリレーメカニズムを有する。前置レギュレータ１２２の最大許容電流は、望ましくは、燃料電池１０３の定格電流５０％よりも低い。
【００２１】
図３において提示されるように、望ましい前置レギュレータ１２２は、特にローディングの開始段階において燃料電池スタック１０３のローディングにおける動作を駆動するための電圧駆動部品を有する。前置レギュレータ１２２の電力段トポロジは、逆向きの電力フローモードにおけるブースト動作ができる。これは、後により詳細に、又は主電力コンバータ１２３の双方向動作に関連して、記載される。図３には、電圧駆動部品として少なくとも４つのディスクリート半導体、すなわち、２つのダイオード４００，４０２、キャパシタ４０３、及び１つの誘導部品、すなわち、コイル４０４と、図３において示されているようにダイオード４００，４０２と並列接続されたトランジスタスイッチ４０６，４０７とを有する前置レギュレータトポロジの望ましい例が提示されている。トランジスタスイッチ４０６，４０７は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、バイポーラ、又はその他のトランジスタによって実現されてよい。所謂ブースト動作を操作するために、すなわち、低電圧レベルから高電圧レベルへの非絶縁型前置レギュレータの駆動動作のために、スイッチ４０６及びダイオード４００が使用される。ローディングの開始時に、燃料電池の電圧がネルンスト（Nernst）ポテンシャル電圧に近い場合に、前置レギュレータは、スイッチ４０７及びダイオード４０２を用いることによって、スタック電圧レベルを例えば０．９Ｖ／電池セルへと下げるよう、電力段動作モードにおいて使用される。よって、燃料電池の高い起動電圧を扱う能力のために主電力コンバータを設計する必要性はなく、従って、公称電力動作に関して主電力コンバータのより最適化された設計を可能にする。これに対して、前置レギュレータは、燃料電池１０３のフル電力レベルのために設計される必要がない。前置レギュレータ１２２にバイスパス配線４０８と望ましくはリレーメカニズムであるバイパススイッチ４０８とを有するバイパス手段４０８を備えることによって（図３）、前置レギュレータは、例えば公称レベルの３０％の電力レベルで、バイパスされ得る。これによって、スタック電圧は、ピーク値から、主電力コンバータ１２３によって直接に許容され得る範囲に至るまで低減される。部分的な負荷電流のためだけに前置レギュレータの寸法を決める必要性は、部品及び関連する冷却配置における有意な費用削減を可能にする。例えば、公称電流の３０％の電流レベルはまた、電解動作モードのために十分である。
【００２２】
図４には、高温燃料電池デバイスの起動工程の例となる曲線図が提示されている。燃料電池スタック１０３の加熱工程の第１の段階３００（例えば、電解動作モード３００）において、燃料電池スタック電圧値は、燃料電池１０３の公称動作モード３０２における公称電圧よりも実質的に高い。図４はまた、例えばスタック電圧値及びスタック温度値に関して、加熱工程において如何にして負荷電流が変わるのかを表す。
【００２３】
本発明の望ましい配置において、主電力コンバータ１２３は、ガルバニック絶縁を有する。燃料電池スタック１０３と絶縁型主電力コンバータとの間の非絶縁型前置レギュレータを利用する記載されている望ましい実施形態において、電解動作の能力に付随する更なる費用は、双方向電力フローのための主電力段の適応性が利用されるので、非常に制限される。多くの絶縁トポロジ、とりわけ、望ましいフルブリッジトポロジにおいて、双方向電力フローのための能力は、更なる複雑性が最小限でありながら比較的安価に配置され得る。主電力コンバータにおける双方向電力フローの能力は、起動動作以外の機能のためにも、例えば、グリッドからの抵抗の分離動作のためにも利用され得る。よって、記載されている電解動作の能力にのみ関連する費用オーバーヘッドは、システムの利点と比較して低いままである。
【００２４】
主電力コンバータ１２３は、双方向電力フローのための手段を有してよい。図５には、燃料電池スタック１０３をロードし且つ実質的に高い周波数（例えば、１０〜１００ｋＨｚ）で動作するために主電力コンバータ１２３として絶縁型ＤＣ−ＤＣ（直流−直流）コンバータが利用される例となる配置が提示されている。図５には、コンバータを通る双方向電力フローを制御するパワーエレクトロニクススイッチング手段１３７を利用することによって双方向電力フローイング１４４を利用することができるＤＣ−ＤＣコンバータトポロジが提示されている。手段１３７は、例えば、更なる半導体、更なる制御エレクトロニクス、及びパワーエレクトロニクススイッチによって配置される。ＤＣ−ＤＣコンバータは、内在的にガルバニック絶縁段を有し、そのようなものとして、絶縁段の（いずれかの方向における）全体的な電力定格が増大される必要がないとの条件で、少なくとも１つの加熱抵抗１３８のためにも絶縁を提供するために利用されてよい。よって、その少なくとも１つの加熱抵抗は、燃料電池側で燃料電池スタック１０３と並列にＤＣ（直流）電圧接続１４１を介して配置されてよい。結果として、少なくとも１つの加熱抵抗は、単方向コンバータと比較して部品点数及び費用において最小限の増大を伴って、燃料電池スタックと同じガルバニック絶縁を利用する。本発明に従うコンバータは、数個の半導体スイッチの追加により双方向電力フローを実行するよう配置されるので、定格燃料電池スタック１０３が例えばシステム加熱の間に生成しているよりも多くの電力をコンバータから少なくとも１つの加熱抵抗へ供給することが可能である。
【００２５】
図５の実施形態は、加熱抵抗１３８のパルス幅変調（ＰＷＭ）のための能動制御手段１２６を更に有する。手段１３６は、望ましくは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２３と一体化される。制御プロセッサ１３６ａは、アナログエレクトロニクスプロセッサ及び／又はデジタルエレクトロニクスプロセッサから実現され得る。スイッチング手段１３６ｂは、例えば、バイポーラトランジスタ、ＪＦＥＴトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ、ＩＧＢＴ又はその他のトランジスタスイッチである。また、配置は、加熱電力設定点を決定するバランスオブプラント（ＢｏＰ）制御システム１４０を有する。制御システム１４０は、例えば加熱電力設定点をコンバータ１２３へ指示するよう、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２３と通信する。この通信は、望ましくは、計装ケーブルの使用を最適化するよう、シリアル通信配置１４２を介して実行される。
【００２６】
アノード循環システムにおける燃料電池の一部は、電解動作モードにおいて利用されて水素を生成することができる。次いで、生成された水素は、加熱フェーズの終わりに高温燃料電池の加熱を増進するよう、同時にロードされる他の燃料電池によって消費される。燃料電池ループにおける電力（及び水素）の内部循環により、燃料電池において電流を駆動するために必要とされる新鮮な燃料の供給（すなわち、メタン）の量は有意に低減され、それによって、内部変質によるスタック冷却の量は有意に低減され得る。これは、燃料電池の加熱を改善し、起動時の外部からの加熱（例えば、電気ヒーター１３８（図５））の必要性を低減する。電解動作モードにおいて、本発明の前置レギュレータ１２２は、燃料電池１０３へ電解電流を投入するためのブースト動作のために利用され得る。すなわち、前置レギュレータは、絶縁段の電圧（例えば、０．９Ｖ／燃料電池セル）を電気分解に必要とされるレベルへと高めるために使用される。
【００２７】
図６には、外部の変質手段を必要とすることなく且つ内部変質の有意な低減による燃料電池スタック１０３の改善された加熱のための本発明に従う望ましい実施形態が提示される。これは、公称燃料電池モードにおいて動作する燃料電池の他の部分によって使用されるよう利用可能な生成された水素を燃料供給へ再循環させるアノード循環を利用しながら、電解動作モードにおいて燃料電池の少なくとも２つのグループの一部を動作させることに基づく。文字Ａは燃料電池１０３のアノード側を表し、文字Ｃは燃料電池１３０のカソード側を表す。参照符号１２６はロードされる燃料電池の負荷電流を表し、参照符号１２７は電解動作モードにおいて動作する燃料電池の電解電流を表す。参照符号１３０は、図６に示されるフィードバックにおけるブロワーを表す。電解モードにおいて動作する燃料電池スタックにおいて、燃料電池の反応は、通常の燃料電池モード動作に対して逆である。すなわち：
Ｈ２＋Ｏ２−  ＜−  Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
一方、正常に動作する燃料電池の他の部分において、水素の反応は、次のとおりである：
Ｈ２＋Ｏ２−  ＝  Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
これらの２つの反応が平衡状態である、すなわち、電解反応及び通常のローディング反応が等しい割合で起こる場合に、燃料（ＣＨ４）供給は、理論的には、水及び水素がシステム内で循環されている間、完全に中断され得る。実際には、少量のＣＨ４供給及び場合により水供給が、十分な蒸気成分を含む還元性雰囲気が全てのアノードで保たれ得ることを確かにするために必要とされる。再循環レートがアノードでの反応形成及び燃料供給に対して実質的に高い場合に、異なるスタックでのガス濃度が有効に一様となる。
【００２８】
上述された燃料電池反応において、熱は、電流に比例する量の熱がメタン蒸気変質において消費されることなく、生成される。実質的に、電力は、不可逆に電解動作モードと通常動作モードとの間のループにおいて循環されている。主たる熱損失は、従って加熱されるスタックで起こる。内部変質の達成可能な有意な低減により、外部加熱は必要とされず、更に、スタックはより低い電流、例えば、内部変質を伴う公称の５０％と比較して公称の２５％で、熱平衡状態となる。従って、電気ヒーターに対する要求は、より小さく且つより安価なヒーターにより達成され得、結果として、より小型のシステムを可能にする。
【００２９】
電解動作モードにおいてスタックを動作させるために、ネルンストポテンシャルよりも高い電圧及びスタックに供給される電流が必要とされる。本発明の望ましい実施形態において、そのような電圧（ネルンストポテンシャルよりも高い電圧）及び逆電流を生成する手段が、通常スタックの負荷として動作するパワーエレクトロニクスに組み込まれる。従って、パワーエレクトロニクスは、双方向電力フローが可能であり且つローディングモードにおけるよりも有意に高いスタック電圧で動作することができる必要がある。そのようなスタック電圧値は、例えば、電気分解における燃料電池ごとに１．２〜１．５Ｖであり、ローディングにおける燃料電池ごとに０．７〜０．９Ｖである。望ましくは、パワーエレクトロニクスのトポロジは、より高い電圧で動作する能力の必要性が通常のローディングモードでの動作の如何なる不利な点も引き起こさないようなタイプに属する。これは、例えば、非絶縁型ステップアップトポロジにおける場合である。
【００３０】
先に図を用いてＳＯＦＣ燃料電池デバイスが提示されているが、本発明に従う実施形態は多種多様な高温燃料電池デバイス、例えば、ＭＣＦＣ（Molten  Carbonate  Fuel  Cells）デバイスにおいて利用されてよい点に留意すべきである。ＭＣＦＣは、多孔質の、化学的に不活性のセラミック基質に懸濁された融解炭酸塩混合物から成る電解質を用いる高温燃料電池である。
【００３１】
本発明が添付の図及び明細書を参照して与えられているが、本発明は、特許請求の範囲によって定義される適用範囲内にある限り、提示される如何なる実施形態にも制限されない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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