(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギを生成するＳＯＦＣ燃料電池デバイス構造であって、
少なくとも１つの燃料電池陽極、陰極、前記陽極と前記陰極の間でイオンを搬送する電解質、及び、前記陽極から前記陰極へ移動する電子のための前記電解質とは別の通路を含み、
燃料のフィードバック再循環のために化学反応の熱力学平衡に基づく１つ以上の熱力学平衡モデルを算出する算出手段と、
前記燃料電池の陽極を通ってフィードバック構成の燃料を再循環させることによって再循環を実現し、少なくとも電流の測定値及び再循環における燃料流量の測定値を生成し、計算を介して燃料の組成を判断し、前記測定値及び燃料の組成を用いることにより循環されるべき燃料に対する熱力学平衡モデルに基づいて設定される燃料の組成に関する設定値を求める手段とを含み、
前記燃料電池デバイスに対して、炭素の形成を防止する制御構成が実現され、
該制御構成は、
前記電流及び前記燃料流量の前記測定値の生成を介して前記電流及び前記燃料流量の少なくとも１つに実質的な変化が生じたときに、温度値の変化を無視しつつ、前記設定値を生成するための該計算を繰り返す手段と含み、該繰り返しにより、燃料の組成の計算は、十分な精度で収束されるように求めることができ、また、該設定値を使用することにより、前記燃料電池デバイスの動作は、前記熱力学平衡モデルにより炭素の形成に関する所定限度内に留まるように設定されることができる、燃料電池デバイス構造。
【請求項２】
前記制御構成は、事前の計算により生成される熱力学平衡曲線として熱力学平衡モデルを算出する算出手段を含む、請求項１に記載の燃料電池デバイス構造。
【請求項３】
燃料は、炭化水素を含む化合物からなる、請求項１に記載の燃料電池デバイス構造。
【請求項４】
前記制御構成は、前記燃料電池のプロセスの１つ以上の温度での炭素の形成を防止する観点で炭素と酸素の間の最適な含有比に基づいて前記熱力学平衡曲線を算出する算出手段を含む、請求項２に記載の燃料電池デバイス構造。
【請求項５】
前記制御構成は、水の供給流量、燃料の供給流量及び電流がｘ、ｙ、ｚ軸である３次元マトリックスを形成する算出手段を含み、化学反応で生成される成分の質量比率は、前記マトリックスのｘ、ｙ、ｚ軸の要素である、請求項２に記載の燃料電池デバイス構造。
【請求項６】
ＳＯＦＣ燃料電池技術により電気エネルギを生成する方法であって、該方法では、イオンは、燃料電池の陽極と陰極の間の電解質を通って搬送され、電子は、前記電解質とは別の通路を介して陽極から陰極まで搬送され、
化学反応の熱力学平衡に基づく１つ以上の熱力学平衡モデルが燃料のフィードバック再循環のために算出され、
少なくとも電流の測定値及び再循環における燃料流量の測定値を生成し、計算を介して燃料の組成を判断し、前記測定値及び燃料の組成を用いることにより循環されるべき燃料に対する熱力学平衡モデルに基づいて設定される燃料の組成に関する設定値を算出することによって、燃料の再循環が燃料電池陽極を介したフィードバック構成において実現され、
該方法において、次の方法フェーズが、炭素の形成を防止するために実行される：
・前記電流及び前記燃料流量の前記測定値の生成を介して前記電流及び前記燃料流量の少なくとも１つに実質的な変化が生じたときに、温度値の変化を無視しつつ、前記設定値を生成するための前記計算を繰り返し、該繰り返しにより、燃料の組成の計算は、十分な精度で収束されるように求めることができ、また、該設定値を使用することにより、前記燃料電池デバイスの動作は、前記熱力学平衡モデルにより炭素の形成に関する所定限度内に留まるように設定される、方法。
【請求項７】
熱力学平衡モデルは、事前の計算により生成される熱力学平衡曲線により算出される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
燃料は、炭化水素を含む化合物からなる、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記熱力学平衡曲線は、前記燃料電池のプロセスの１つ以上の温度での炭素の形成を防止する観点で炭素と酸素の間の最適な含有比に基づいて算出される、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
３次元マトリックスが計算により形成され、水の供給流量、燃料の供給流量及び電流がｘ、ｙ、ｚ軸であり、化学反応で生成される成分の質量比率は、前記マトリックスのｘ、ｙ、ｚ軸の要素である、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
燃料電池は、電気エネルギを生成する反応物が供給される電気化学デバイスである。
【背景技術】
【０００２】
図１は、陽極側１００と陰極側１０２とそれらの間の電解質１０４を含む燃料電池を示す。燃料電池デバイスに供給される反応物は、電気エネルギ及び水が発熱反応の結果として生じるプロセスを受ける。固体酸素燃料電池（ＳＯＦＣｓ）では、陰極側に供給された酸素は、陰極側から電子を受ける、即ち、陽極へと電解質を通って移動する負の酸素イオンに変換され、陽極にて、使用される燃料と結合し、水及び二酸化炭素を生成する。陽極と陰極の間では、電子が陰極へと搬送される外部電気回路がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
メタンのような天然ガス及び高級炭素化合物を含むガスは、典型的には、ＳＯＦＣｓにおいて燃料として使用され、当該ガスは、しかしながら、炭素の形成、即ちコークス化を防止するために燃料電池に供給する前に、事前処理されなければならない。コークス化では、炭化水素が熱的に分解し、燃料電池デバイスの表面に付着し、ニッケル粒子のような、触媒上に吸着する炭素を生成する。コークス化で生成される炭素は、燃料電池デバイスの活性表面のいくらかを覆うので、燃料電池のプロセスの反応性を顕著に損なう。炭素は、燃料通路を完全に閉塞すらしうる。
【０００４】
それ故に、コークス化を防ぐことは、燃料電池の長い実用寿命を確保するために重要である。コークス化の防止は、また、触媒、即ち反応を促進するために燃料電池で使用される物質（ニッケル、プラチナ等）を節約する。
【０００５】
ガスの事前処理は、燃料電池デバイスに供給される水を必要とする。酸素イオン及び燃料、即ち陽極上のガスを結合する際に生成される水は、ガスの事前処理で使用されてもよい。
【０００６】
フィードバック構成における陽極を通って再循環されるガスの成分は、先行技術のガスの事前処理が成功的なものであるために十分な正確性で知られなければならない。特に、酸素／炭素（Ｏ／Ｃ）比、及び、ある程度で水素／炭素（Ｈ／Ｃ）比は、炭素の形成に対する最も危険な反応環境を防止するために制御されなければならない。
【０００７】
先行技術の問題点は、ガスの事前処理が、プロセスに対する適切な態様でのガスの事前処理の実行を保証することを可能とするために、ガスクロマトグラフのような、再循環されるべきガスの構成要素を判断するための、複雑でコストがかかるオンラインの測定装置の使用を必要とすることである。
【０００８】
本発明の目的は、複雑でコストのかかる連続的な測定装置を用いることなく安全な動作制限内で維持されることができる燃料電池の実現を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これは、電気エネルギを生成する燃料電池デバイス構造であって、少なくとも１つの燃料電池陽極、陰極、前記陽極と前記陰極の間でイオンを搬送する電解質、及び、前記陽極から前記陰極へ移動する電子のための前記電解質とは別の通路を含む、燃料電池デバイス構造により達成される。前記燃料電池デバイスに対して、炭素の形成を防止する制御構成が実現され、該制御構成は、燃料のフィードバック再循環のために化学反応の熱力学平衡に基づく１つ以上の熱力学平衡モデルを算出する算出手段と、
前記燃料電池の陽極を通ってフィードバック構成の燃料を再循環させることによって再循環を実現し、少なくとも電流及び燃料流量から、再循環における測定値を生成し、計算を介して燃料の組成を判断し、前記測定値及び燃料の組成を用いることにより循環されるべき燃料に対する熱力学平衡に基づいて設定される変換値を求め、また、必要に応じて、前記変換値を生成するための該計算を繰り返す手段と含み、これにより、燃料の組成の計算は、十分な精度で収束されるように求めることができ、また、該変換値を使用することにより、前記燃料電池デバイスの動作は、前記熱力学平衡モデルにより安全限度内に留まるように設定されることができる。
【００１０】
本発明は、また、燃料電池技術により電気エネルギを生成する方法であって、該方法では、イオンは、燃料電池の陽極と陰極の間の電解質を通って搬送され、電子は、前記電解質とは別の通路を介して陽極から陰極まで搬送される、方法に関する。本方法において、次のステージが、炭素の形成を防止するために実行され、
・化学反応の熱力学平衡に基づく１つ以上の熱力学平衡モデルが燃料のフィードバック再循環のために算出される：
・少なくとも電流及び燃料流量から再循環における測定値を生成し、計算を介して燃料の組成を判断し、前記測定値及び燃料の組成を用いることにより循環されるべき燃料に対する熱力学平衡に基づいて設定される変換値を算出し、また、必要に応じて、前記変換値を生成するための該計算を繰り返すことによって、燃料の再循環が燃料電池陽極を介したフィードバック構成において実現され、これにより、燃料の組成の計算は、十分な精度で収束されるように求めることができ、また、該変換値を使用することにより、前記燃料電池デバイスの動作は、前記熱力学平衡モデルにより安全限度内に留まるように設定される。
【００１１】
本発明は、燃料電池のプロセスの熱力学平衡及び酸素と炭素の間の所望の比に基づいて、少なくとも電流及び燃料の流量を既知の値として設定する、種々の化学反応の熱力学平衡モデルが算出されるという事実に基づく。燃料の組成は、計算により判断される。当該平衡モデルは、燃料電池のプロセスのフィードバック循環で利用され、そこでは、少なくとも電流及び燃料の流量に対して生成された測定値、計算により決定された燃料の組成、及び、１つ以上の熱力学平衡モデルに基づいて、設定された安全限度内に留まる燃料電池のプロセスの動作モデルが見出される。
【００１２】
本発明による実現は、別の水の供給を要せずにフィードバック構成における燃料の安全な循環を可能とし、同時に、燃料の利用率を増大し、即ち、燃料電池のプロセスにおける電気エネルギの生成の効率を改善する。本発明のその他の効果は、コークス化が防止された燃料電池デバイスの安全な使用が、ガスクロマトグラフのような複雑でコストがかかるオンラインの測定装置を要しない実現において、可能となることである。  
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】先行技術の燃料電池による実現を示す図。
【図２】本発明の好ましい実施例による燃料電池デバイスの実現を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
燃料電池は、環境にやさしい態様で且つ高効率に電気エネルギを生成するために使用されることができる電気化学デバイスである。燃料電池技術は、最も前途有望な将来のエネルギ生成の形態の１つであると考えられている。
【００１５】
本発明の好ましい実施例は、ＳＯＦＣデバイス、即ち固体酸素燃料電池に関する。図２は、本発明の好ましい実施例によるＳＯＦＣデバイスを示し、これは、例えば、天然ガス、バイオガス若しくはメタノール又は炭化水素を含む他の成分を、燃料として利用する。図２に示す燃料電池デバイス構成は、プレート状の燃料電池を含み、各燃料電池は、図１に示すように、陽極１００及び陰極１０２を含み、図２では、燃料電池は、スタック形成１０３で組み立てられている（ＳＯＦＣスタック）。燃料は、陽極を介してフィードバック構成で再循環される。燃料電池の陽極及び陰極の間には、電解質１０４がある。陰極側１０２には、陰極から電子を受ける酸素が供給され、即ち、負の酸素イオンに変化される酸素が供給され、負の酸素イオンは、陽極に電解質を介して移動し、そこで、酸素イオンは、使用される燃料と結合し、水と二酸化炭素を出す。陽極と陰極の間には、別の通路１０８、即ち、電子、つまり電流が陰極に負荷を通って流れる外部電気回路がある。
【００１６】
図２に示す燃料電池デバイス構成は、熱交換器１０５とリフォーマ１０７を含む。熱交換器は、燃料電池のプロセスの熱バランスを制御するために使用され、燃料電池デバイスの異なる位置で複数あってもよい。再循環されるガス内の過剰な熱エネルギは、燃料電池デバイスのいずれかの場所で若しくは別の熱ネットワークでの使用のために熱交換器で回収される。熱を回収する熱交換器は、従って、図２に示された場所と異なる場所にあってもよい。リフォーマは、天然ガスのような燃料を、燃料電池に適した形態へと、即ち例えば１／２の水素と、残りのメタン、二酸化炭素及び不活性ガスを含むガス混合物へと変換する。しかし、リフォーマは、必ずしも全ての燃料電池の実現において必要でないが、未処理の燃料は、燃料電池１０３に直接供給されてもよい。
【００１７】
燃料電池１０３で燃やされた燃料の一部のみが、図２のフィードバック構成で陽極を介して再循環され、それ故に、陽極１００からの燃料の残りの排出１１４を概略的に示す。
【００１８】
図２に示す本発明の好ましい実施例による燃料電池デバイスの使用は、炭素形成を防ぐための制御構成を備え、当該制御構成は、計算手段１１０として、陽極１００を介した燃料のフィードバック１０９の再循環のために化学反応の熱力学平衡に基づく１つ以上の熱力学平衡モデルを算出するコンピューターを含む。当該計算プロセスは、制御コンピューター１１０により燃料電池のプロセスと関連して実行されてもよく、制御コンピューター１１０は、例えば、プログラム可能なロジック（ＰＬＣ，プログラマブル・ロジック・コントローラ）や他のプロセッサベースのコンピューターである。計算プロセスは、燃料電池デバイス自身以外の何処に配置されてもよいコンピューターのプロセッサ上の事前の計算として実行されてもよい。
【００１９】
事前の計算によって、プロセスは、熱力学平衡モデルの形態の、生成されたプロセスの熱力学平衡曲線であってよい。この種の計算は、比較的遅く、大きなコンピューターの処理能力を必要とし、当該コンピューターは、例えば、燃料電池の製造会社の製品開発部に存在するものであってよい。
【００２０】
計算プロセスは、電気を生成する燃料電池のプロセスの計算において、電流、及び、別の外部の水源を備える燃料電池デバイスにおいて必要である、水の流量は、既知の値として与えられるという事実に基づく。本発明の好ましい実施例による燃料電池デバイスの高い動作温度に起因して、燃料電池のプロセスの温度を既知の値として与える必要はない。その他の既知の値は、例えば天然ガスである燃料の流量、好ましくは再循環の全体の流量である。異なる化学反応に対して、各温度にて、熱力学平衡曲線が熱力学平衡モデルとして機能することを見出されることができる。本発明の好ましい実施例による燃料電池デバイスの動作では、重要な化学反応は、例えば、陰極での負の酸素イオンへの酸素の変化、及び、陽極での使用される燃料との酸素イオンの結合であり、これは、水と二酸化炭素を出す。既製の値は、燃料電池デバイスのプロセスにおける異なる温度での酸素と炭素の間の含有比に対する幾つかの最適値に対して文献において見出すことができ、これにより、炭素の形成が最小化される。文献では、異なる燃料成分に対する酸素と炭素の間の含有比に対する１つ以上の最適値を計算できる計算方法も見出せる。燃料電池のプロセスでは、プロセスが炭素形成領域の外側に留まることを保証するために、水の量の流量を高く維持することが重要である。事前計算として若しくは燃料電池のプロセスでリアルタイムに実行される計算プロセスは、既知の温度にて燃料電池のプロセスの化学反応に対する熱力学平衡モデルを算出する計算において当該与えられた既知の値を使用することによって、なされる。事前の計算では、複数の平衡曲線は、再循環の流れ値のような、種々の流れ値に対して生成されることができる。しかし、幾つかの平衡曲線を算出することは、本発明による実現が成功的なものになるために必要でない。
【００２１】
本発明の一実施例による計算プロセスでは、３次元（３Ｄ）マトリックスは、事前の計算により形成され、その場合、水の供給流量、燃料の供給流量及び電流がｘ、ｙ、ｚ軸であり、化学反応で生成される成分の質量比率は、前記マトリックスのｘ、ｙ、ｚ軸の要素である。変数の数及びマトリックスの次元を低減するために、例えば、多項式がシステム計算用の結果データに適用されてもよい。このようにして、本発明による燃料電池デバイスを動作させるのに必要とされる十分正確な制御データを生成することができ、制御コンピューター１１０を用いてリアルタイムの計算が可能とされる。結果データに多項式を適用することは、また、３Ｄマトリックスから電流を無くすことが可能であり、当該電流は、典型的には、瞬間的な作用により燃料電池のプロセスに影響する因子である。しかしながら、熱力学平衡モデルが燃料電池のプロセスのリアルタイムで算出されるとき、３次元マトリックスの形成は必ずしも必要でない。
【００２２】
本発明による次元では、制御コンピューター１１０は、再循環を実現するための手段として使用され、コンピューター上では、事前計算により生成された熱力学平衡曲線、若しくは、燃料電池のプロセスのリアルタイムで熱力学平衡モデルを算出するための熱力学平衡曲線が記録される。再循環を実現する手段１１０，１１２は、フィードバック構成で燃料を再循環させ、燃料の流量、電流及び考えられる水の流量、温度及びその他の因子の測定値を生成するために、測定手段１１２により測定することによる。酸素と炭素の間の含有比のような、燃料の組成に関して必要とされる情報は、制御コンピューター１１０による計算を介して決定される。次の段階では、制御コンピューター１１０は、当該測定値及び算出された酸素／炭素比を用いることによって再循環される燃料のリアルタイムの熱力学平衡モデル若しくは事前の熱力学平衡曲線の基づいて設定されるべき変化した値を算出するのに使用される。当該計算は、収束された状態に到達するまで反復で繰り返され、この場合、燃料の成分の計算は、十分な精度で収束されて見出されることができ、即ち、燃料電池にフィードバック構成で循環する燃料の酸素／炭素の比は、もはや計算で変化しない。最初の若しくは幾つかの反復の計算では、変化する値が生成され、これにより、燃料の成分は、燃料電池デバイスの動作中に収束するように設定されてよく、即ち、熱力学平衡モデル若しくは熱力学平衡曲線による安全限度内に留まる動作へと設定されてもよい。この動作では、燃料の酸素／炭素の含有比は、実質的な精度でその所望の値に留まる。
【００２３】
電流を測定することは、実際には、酸素イオンの量、即ち酸素フラックス（oxygen flux）を測定することに対応する。本発明による実現に必要とされる測定手段１１２は、従って、高価でないデバイスであり、即ち、燃料電池デバイスに関連していずれにしても必要とされるフローメータ、電流計、温度計である。燃料の組成の必要とされる情報は、酸素／炭素の比であり、これは、所定の安全限度に基づいて変換ステージにて算出される。各燃料の循環の間の時間差は、例えば、２０ｍｓであってよいが、これに限定されない。
【００２４】
燃料電池のプロセスの温度が変化するとき、燃料電池デバイスの動作は、新たな変化した温度に対応する熱力学平衡曲線若しくは平衡モデルへの新たな変換ステージにより制御コンピューター１００を用いて調整される。本発明の好ましい実施例では、しかしながら、これは、ＳＯＦＣ燃料電池デバイスの高い動作温度に起因して必要でない。むしろ、新たな変換ステージは、変化が燃料の流量、電流若しくは考えられる外部に配置された水の流量において生じたときに、ＳＯＦＣで問題となる。このようにして、燃料電池デバイスの動作は、変化が生じたときでも安全限度内に留まる。本発明による変換ステージは、迅速に実行されることができ、従って、燃料電池デバイスの電気エネルギ生成プロセスと関連して実行されることができる。
【００２５】
本発明による燃料電池デバイスは、例えば７５０℃の動作温度にて、１ＭＶ若しくはそれ未満の出力率で電気を生成することができ（しかしながら、当該温度及び出力率に限定されることない）、電源システム、及び、燃料電池デバイスの動作から放出される熱エネルギを回収する別の加熱ネットワークの双方に接続されてもよい。
【００２６】
上述では、本発明は、図面を参照して説明されているが、本発明は、説明や図面に限定されることはなく、添付の請求項の範囲で特定される限定内で修正されてもよい。
【図１】
0005645818.tif 000002
【図２】
0005645818.tif 000003