(57)【要約】  本発明は、燃料電池スタック（１２）に供給されるリフォーメート（１０）のラムダ値（λｉｓｔ）を決定するためのプロセスに関する。このプロセスにおいて、ラムダ値（λｉｓｔ）を決定するために、少なくとも１つの燃料電池要素（１４）の無負荷電圧（Ｕ０）が検出および評価される。本発明によれば、少なくとも１つの燃料電池要素（１４）が、感知専用に設けられた燃料電池スタック（１２）の終端燃料電池要素（１４）であり、かつ少なくとも１つの消費部（３４）用にもたらされる電圧が、燃料電池スタック（１２）の残りの燃料電池要素（３６）で取り出せることが実現される。本発明は更に、改質器においてラムダ値を制御するプロセス、ラムダ値を決定する装置、少なくとも燃料（２０）および空気（２２）を反応させてリフォーメート（１０）にする改質器（１６）を備えるシステム（３２）、および改質器（１６）によってリフォーメート（１０）が供給可能である燃料電池（１２）に関し、改質器（１６）においてラムダ値が制御される。
2009541953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタック（１２）に供給されるリフォーメート（１０）のラムダ値（λｉｓｔ）を決定するためのプロセスにおいて、ラムダ値（λｉｓｔ）を決定するために、少なくとも１つの燃料電池要素（１４）の両端間の無負荷電圧（Ｕ０）が検出および評価されるプロセスであって、前記少なくとも１つの燃料電池要素（１４）が、感知専用に設けられた前記燃料電池スタック（１２）の終端燃料電池要素であり、少なくとも１つの消費部（３４）用にもたらされる電圧が、前記燃料電池スタック（１２）の残りの燃料電池要素（３６）の両端間で取り出せることを特徴とするプロセス。
【請求項２】
ラムダ値（λｉｓｔ）が、ネルンスト式によって決定されることを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
ラムダ値（λｉｓｔ）が更に前記少なくとも１つの燃料電池要素（１４）の温度（Ｔ）に応じて感知されることを特徴とする、請求項１または２に記載のプロセス。
【請求項４】
少なくとも燃料（２０）と空気を反応させて燃料電池スタック（１２）に供給されるリフォーメート（１０）にするための改質器（１６）をラムダ制御するためのプロセスであって、ラムダ制御が、前記請求項のいずれかに記載の前記プロセスによって決定されるラムダ値（λｉｓｔ）に基づいて実施されることを特徴とするプロセス。
【請求項５】
燃料電池スタック（１２）に供給されるリフォーメート（１０）のラムダ値（λｉｓｔ）を決定するための装置（２４）において、ラムダ値（λｉｓｔ）を決定するために、少なくとも１つの燃料電池要素（１４）の両端間の前記無負荷電圧（Ｕ０）を検出および評価するのに適した手段（２６）を備える装置（２４）であって、前記少なくとも１つの燃料電池要素（１４）が、感知専用に設けられた前記燃料電池スタック（１２）の終端燃料電池要素であり、少なくとも１つの消費部（３４）用にもたらされる電圧が、前記燃料電池スタック（１２）の残りの燃料電池要素（３６）の両端間で取り出せることを特徴とする装置（２４）。
【請求項６】
前記手段（２６）が、ラムダ値（λｉｓｔ）をネルンスト式によって導出するのに適していることを特徴とする、請求項５に記載の装置（２４）。
【請求項７】
温度センサ（４０）が設けられ、それを用いて前記少なくとも１つの燃料電池要素（１４）の温度を感知することができ、その結果が、ラムダ値（λｉｓｔ）が前記少なくとも１つの燃料電池要素（１４）の温度（Ｔ）に応じて決定されるのを可能にする手段に供給されることを特徴とする、請求項５または６に記載の装置。
【請求項８】
少なくとも燃料（２０）および空気（２２）を反応させてリフォーメート（１０）にするための改質器（１６）と、前記改質器（１６）からリフォーメート（１０）を受け取るために前記改質器（１６）に接続された燃料電池スタック（１２）とを備えるシステム（３２）において、前記改質器（１６）がラムダ制御されるシステム（３２）であって、ラムダ制御を実施するために、前記請求項５から７のいずれかに記載の装置（２４）を備えることを特徴とするシステム（３２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに供給されるリフォーメートのラムダ値を決定するためのプロセスにおいて、ラムダ値を決定するために、少なくとも１つの燃料電池要素の両端間の無負荷電圧が検出および評価されるプロセスに関する。
【０００２】
更に、本発明は、少なくとも燃料と空気を反応させて、燃料電池スタックに供給されるリフォーメートにする改質器を、ラムダ制御するためのプロセスにも関する。
【０００３】
本発明は、燃料電池スタックに供給されるリフォーメートのラムダ値を決定するための装置において、ラムダ値を決定するために、少なくとも１つの燃料電池要素の両端間の無負荷電圧を検出および評価するのに適した手段を有する装置にも関する。
【０００４】
更に、本発明は、少なくとも燃料と空気を反応させてリフォーメートにするための改質器と、改質器からリフォーメートが供給される燃料電池スタックとを備えるシステムにおいて、改質器がラムダ制御されるシステムにも関する。
【背景技術】
【０００５】
一般的なプロセス、装置、およびシステムが、化学エネルギーの電気エネルギーへの変換に関連して使用される。このために、好ましくは燃料／空気混合物の形をとる燃料および空気が、改質器に供給される。改質器内で、燃料と大気酸素との反応が行われ、好ましくは、部分酸化プロセスが実施される。
【０００６】
次いで、このようにして生成されたリフォーメートが、燃料電池または燃料電池スタックに供給されて、電気エネルギーが、リフォーメートの成分としての水素と酸素との制御された反応によって放出される。
【０００７】
既に述べたように、改質器は、リフォーメートを生成するために部分酸化プロセスが実施されるように設計することができる。この場合、燃料としてディーゼルを使用する際、部分酸化前に予備反応を実施することが特に有用である。このようにして、最終的に改質器の運転の助けとなるように、「低温炎（ｃｏｌｄ  ｆｌａｍｅ）」を用いて、長鎖ディーゼル分子を反応させて短鎖分子にすることできる。一般には、改質器の反応ゾーンにガス混合物が供給され、それが反応してＨ２とＣＯになる。リフォーメートの別の成分は、空気中のＮ２であり、空気比および温度に応じて、任意選択でＣＯ２、Ｈ２ＯおよびＣＨ４である。通常運転の際には、燃料質量流量が、要求される出力に従って調整され、空気質量流量が、λ＝０．４の範囲内のラムダ値、すなわち空気比に調整される。改質反応は、さまざまなセンサ、例えば温度センサおよびガス・センサで監視することができる。
【０００８】
部分酸化プロセスに加えて、オートサーマル改質を実施することも同様に可能である。部分酸化プロセスは、オートサーマル改質とは異なり、酸素が準化学量論的に供給されることによって誘起される。例えば、混合物はλ＝０．４の空気比を有する。部分酸化は発熱性であり、したがって、改質器の望ましくない加熱により問題が生じることがある。更に、部分酸化は、スート（ｓｏｏｔ）の形成の増加を生じやすい。スートが形成されないようにするためには、空気比λをより大きく選択する、かつ／または酸化に使用される酸素の一部を、水蒸気によって利用できるようにすることができる。酸化が水蒸気を伴って吸熱的に進むので、燃料、酸素、および水蒸気の間の比を、全体として熱が放出も、熱消費もされないように調整することが可能である。したがって、このように達成されるオートサーマル改質は、スート形成の問題および改質器の望ましくない過熱の問題を解消する。
【０００９】
改質器内での酸化後に、ガス処理の他のステップが行われることも同様に可能であり、特に、部分酸化の下流でメタン生成を実施することができる。
【００１０】
１つの現在の燃料電池システムは、例えば、室温からおよそ１００℃の運転温度で一般に運転することができるプロトン交換膜（ＰＥＭ）システムである。低運転温度のため、この燃料電池タイプはしばしば、自動車用途に、例えば自動車両で使用される。
【００１１】
高温燃料電池、いわゆる固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）システムが更に知られている。こうしたシステムは、例えば、およそ８００℃の温度範囲内で動作し、固体電解質（固体酸化物）が、酸素イオンの輸送を取り扱うことができる。ＰＥＭシステムと比べてこうした高温燃料電池の利点は、特にそれが機械的および化学的な重負荷に適合性があることである。
【００１２】
一般的なシステムに関連する燃料電池の１つの用途には、定置用途に加えて、特に自動車両分野における、例えば補助動力ユニット（ＡＰＵ）としての用途がある。
【００１３】
リフォーメートのラムダ値を決定するために、従来技術では、改質器の出力領域内に設けられたセンサ（ラムダ・プローブ）を使用して酸素濃度を測定することが多い。これは、高コストに関連する追加の重大な支出となる。更に、気密の問題および／または温度の問題が生じることがある。
【００１４】
少なくとも１つの燃料電池要素の両端間の無負荷電圧が感知され、その結果がそれに対応して評価されて、ラムダ設定値に対して制御する際に使用する実際のラムダ値が得られる、一般的なプロセス、装置、およびシステムが、特許文献１で知られている。燃料電池要素の両端間の無負荷電圧は、エネルギー出力中の電圧ほどではないが、瞬時の運転条件と相関関係にある。無負荷電圧は、例えば、消費部が対応する燃料電池要素から電流を引き込まない運転段階においてだけその電圧を測定することによって、検出することができる。更に、無負荷電圧は、例えば消費部を対応する燃料電池要素から一時的に分離することによって検出することもできるが、こうすると、消費部のスムーズな運転が妨げられることになる。その上、ただ１つまたは少数の燃料電池要素から感知すべき電圧をサンプリングすることにより、製造および配線の複雑さが増す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】ドイツ公開特許公報ＤＥ  １０３  ５８  ９３３  Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、ラムダ値を今回、組立ておよび運転に好都合に決定することができるように、一般的なプロセス、装置、およびシステムを高度化するという目的に基づく。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この目的は、独立請求項に記載の特徴によって達成される。
【００１８】
本発明の有利な諸態様および更なる実施形態は、従属請求項から解釈される。
【００１９】
ラムダ値を決定するための本発明によるプロセスは、少なくとも１つの燃料電池要素が、感知専用に設けられた燃料電池スタックの終端燃料電池要素であり、かつ少なくとも１つの消費部用にもたらされる電圧が、燃料電池スタックの残りの燃料電池要素の両端間で取り出せるという点で、一般的な従来技術に基づく。この場合、終端燃料電池要素の両端間の無負荷電圧を検出することにより、燃料電池スタックの中間の燃料電池要素にアクセスするよりも、終端燃料電池要素にアクセスする方がずっと簡単なので、配線の設計が簡単になる。更に、感知専用の燃料電池要素を利用することによって、スムーズな、連続した運転がもはや妨げられない。この構成では、こうすることにより、感知用に設けられた燃料電池要素の電圧を、燃料電池スタックまたは消費部の任意の運転条件において決定することがこの場合可能になり、この電圧は常に、燃料電池要素が感知専用に使用されるため、その無負荷電圧に対応する。
【００２０】
更に、本発明によるプロセスでは、ラムダ値を決定するために、ラムダ値をネルンスト式によって導出できることが好ましい。このことが可能なのは、感知用に設けられた燃料電池要素の無負荷電圧がネルンスト式に従うためである。
【００２１】
更に、本発明によるプロセスにとって、ラムダ値が更に少なくとも１つの燃料電池要素の温度の関数として得られることが有利である。ラムダ値を決定する際、特にラムダ値をネルンスト式によって決定する際に、感知された電圧が、関係する温度に大いに依存するため、ラムダ値を決定する際に温度を含めることによって、より正確な値がこの場合得られる。
【００２２】
改質器をラムダ制御するための本発明のプロセスは、ラムダ制御がラムダ値に基づいて実施されるという点で一般的な従来技術に基づくが、その値がこの場合、本発明のプロセスを用いて決定されるという点で、従来技術を逸脱する。この場合もまた、ラムダ値の決定はこの場合、従来技術におけるよりもはるかに効率的である。
【００２３】
ラムダ値を決定するための本発明による装置は、この場合、少なくとも１つの燃料電池要素が、感知専用に設けられた燃料電池スタックの終端燃料電池要素であり、かつ少なくとも１つの消費部用にもたらされる電圧が、燃料電池スタックの残りの燃料電池要素の両端間で取り出せることを除き、一般的な従来技術に基づく。したがって、これにより、上述のプロセスに関連して得られる利点が達成される。
【００２４】
本発明による装置の場合にも、設けられる手段が、ラムダ値をネルンスト式によって導出するのに適していることが好ましい。これによりこの場合、ネルンスト式を、適切な真理値表によって、または当業者に提案される任意の他の様式によって直接評価することにより、ラムダ値を得ることが可能になる。
【００２５】
本発明による装置を、温度センサが設けられ、それを用いて少なくとも１つの燃料電池要素の温度を感知することができ、その結果が、ラムダ値が少なくとも１つの燃料電池要素の温度の関数として決定されるのを可能にする手段に供給されるように設計することが、更に有利である。ラムダ値を決定する際、特にラムダ値をネルンスト式によって決定する際に、感知された電圧が、関係する温度に大いに依存するため、ラムダ値を決定する際に温度を含めることによって、より正確な値がこの場合得られる。
【００２６】
本発明によるシステムは、この場合、ラムダ制御を実施するために、ラムダ値を決定するための本発明による装置を備えることを除き、一般的な従来技術に基づく。
【００２７】
本発明の好ましい諸実施形態を以下に、例として添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明によるプロセスの一実施形態を示す流れ図である。
【図２】本発明による装置およびシステムの一実施形態を示すブロック図である。
【図３】燃料電池スタックの一実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
ここで図１を参照すると、ステップＳ１からＳ２によって、ラムダ値を決定するための本発明のプロセスの一実施形態が示されるとともに、ステップＳ１からＳ５が、改質器をラムダ制御するための本発明によるプロセスの一実施形態を示す。
【００３０】
図示のプロセスによれば、複数の燃料電池要素を備える燃料電池スタックの１つの燃料電池要素が感知専用に設けられ、すなわちこれは、消費部に供給するのではなく、測定値を決定するための測定器にすぎない。このために、この燃料電池要素は、ラムダ・センサとしての使用がそうすることで可能になるように、他の燃料電池要素から電気的に絶縁される。残りの燃料電池要素は、１つまたは複数の消費部に印加するためのより高い電圧がそうすることで供給されるように、直列に接続される。ただ１つではなくそれよりも多い燃料電池要素が感知専用に設けられ、より高い測定電圧を供給するために直列に相互接続される他の実施形態が、全く同様に可能であることが理解されよう。
【００３１】
ステップＳ１では、感知用に設けられた燃料電池要素の無負荷電圧Ｕ０が、アナログおよび／またはデジタル手段として動作する、当業者が精通する手段によって検出される。この燃料電池要素には消費部への供給がないので、検出されるその電圧は、消費部または燃料電池スタックのあらゆる運転条件において、この燃料電池要素の無負荷電圧に対応する。
【００３２】
ステップＳ２では、ネルンスト式によって、ラムダ値λｉｓｔが、感知用に設けられた燃料電池要素の無負荷電圧Ｕ０および実際の温度Ｔに応じて決定される。このことが可能なのは、感知用に設けられた燃料電池要素の無負荷電圧Ｕ０がネルンスト式に従うためである。
【００３３】
一代替手段として、ステップＳ２では、ラムダ値λｉｓｔを、感知用に設けられた燃料電池要素の温度を無視して、ネルンスト式によって無負荷電圧Ｕ０に応じて決定することもできる。
【００３４】
ステップＳ３では、制御差Δλが、ラムダ値λｉｓｔとラムダ設定値λｓｏｌｌの関数として、関係Δλ＝Δｓｅｔ−Δａｃｔｕａｌによって決定される。
【００３５】
次いで、ステップＳ４において、作動信号Ｓが、制御差Δλに応じて生成される。
【００３６】
ステップＳ５では、作動信号Ｓに応じて、少なくとも１つのアクチュエータが作動される。１つまたは複数のアクチュエータを、特に改質器に割り当てることができ、それが例えば、空気および燃料の供給を変更することができる。いくつかのアクチュエータがある場合、作動信号Ｓは、好ましくは、アクチュエータの各トリガに適した複数のデータを含む。
【００３７】
次に図２を参照すると、本発明による装置の一実施形態と、本発明のシステムの一実施形態のどちらも示すブロック図が示されている。本発明による装置２４は、当業者に知られるハードウェアおよび／またはソフトウェアによって実施することができ、リフォーメート１０のラムダ値λｉｓｔを決定するように設計される。リフォーメート１０は、改質器１６によって生成され、燃料電池スタック１２に供給される。燃料電池スタック１２は複数の燃料電池要素を備え、それらのうち、図示のケースでは、１つの燃料電池要素１４が感知専用に設けられ、この燃料電池要素１４が、留意すべきは消費部３４が高電力要求を有する場合でさえ、無負荷電圧Ｕ０を永続的に供給する。本発明による装置２４は、ラムダ値λｉｓｔを決定するために燃料電池要素１４の無負荷電圧Ｕ０を評価し、かつ温度センサ４０を用いて感知された燃料電池要素１４の実際の温度を評価する手段２６を備える。この構成では、温度センサ４０は任意であり、すなわちラムダ値λｉｓｔを、温度センサ４０を用いて感知された温度を考慮に入れずに決定することもできる。手段２６は、ラムダ値λｉｓｔを、好ましくはネルンスト式によって決定する。ラムダ値を決定するために設けられる手段は、当業者に知られるアナログまたはデジタル回路によって、特にハードウェアと、適切なソフトウェアの協働によって実現することができる。
【００３８】
本発明による装置２４は、本発明のシステム３２の構成要素であり、システム３２は、装置２４に加えて、燃料２０と空気２２を反応させてリフォーメート１０にするための改質器１６と、改質器１６からリフォーメート１０が供給され、かつ燃料電池要素１４の無負荷電圧Ｕ０に加えて、消費部３４用の出力電圧を供給する燃料電池スタック１２とを更に備える。図示のシステムは更に、ラムダ設定値λｓｏｌｌおよび実際のラムダ値λｉｓｔから制御差Δλを生成する加算器２８を備える。この制御差Δλが、システム３２に同様に割り当てられ、かつ制御差Δλに応じて１つまたは複数の適切な作動信号Ｓを出力する制御器３０に供給される。図示のケースでは、作動信号Ｓが、改質器１６の構成要素であるアクチュエータ１８に供給される。アクチュエータ１８は、例えば、燃料２０および／または空気２２の供給を管理するために使用することができる。
【００３９】
次に図３を参照すると、燃料電池スタックの一実施形態が概略的に示されている。燃料電池スタック１２は、クランプ・フレーム３８によって定位置に保持された、複数の燃料電池要素１４、３６を備える。燃料電池要素１４、３６は、一般に知られる様式および手段によって、リフォーメートと酸化剤を電気エネルギーに変換する。このために、燃料電池要素１４、３６は、２つの貫通孔を特徴としてもつプレートとして形状設定され、貫通孔は、燃料電池要素がスタックされることによって２つの通路を形成し、その通路を介して、リフォーメートを供給し、アノード排出ガスを排出することができる。感知専用の少なくとも１つの終端燃料電池要素１４が、燃料電池要素に混ざって設けられ、これは、他の燃料電池要素３６から電気的に絶縁される。終端燃料電池要素１４は、無負荷電圧Ｕ０を評価し、かつ任意選択で終端燃料電池要素１４の温度Ｔを評価するための手段２６に電気的に接続される。燃料電池スタック１２の最も外側にある２つの燃料電池要素が、終端燃料電池要素１４として働くことができる。複数の、すなわち一連の最も外側にある終端燃料電池要素を、感知専用に設けることができることも、全く同様に可能である。消費部が、残りの燃料電池要素３６に電気的に接続され、燃料電池要素３６は、このために、より高い電圧を供給するように直列に接続される。この構成では、消費部３４用の電圧が、残りの燃料電池要素３６の最も外側にあるものから取り出される。消費部という語は、この文脈では、直列および／または並列に接続される１つまたは複数の消費部の全部およびあらゆる組合せを包含することに留意されたい。燃料電池要素１４の温度を感知するための温度センサ４０が、燃料電池要素１４に接触している。燃料電池要素１４が他の燃料電池要素３６と同一に構成される場合、温度センサを、例えば、燃料電池要素１４の外側に接合することができる。これに代わる一手段として、温度センサ４０を、燃料電池要素１４の陥凹内、またはクランプ・フレーム３８の陥凹内に配置することもできる。温度センサ４０は、配線（図示せず）によって手段２６に接続される。
【００４０】
運転の際には、燃料電池スタック１２の運転条件が、消費部の電力要件に応じて変化する。終端燃料電池要素１４において、手段２６が、この燃料電池要素１４の無負荷電圧Ｕ０を、消費部３４の電力要件および燃料電池スタック１２の運転モードとは無関係に常に感知することができる。
【００４１】
上記の説明、図面、および特許請求の範囲において開示した本発明の特徴は、個別にも、任意の組合せにおいても、本発明を達成するのに極めて重要となり得ることが理解されよう。
【符号の説明】
【００４２】
１…リフォーメート、２…燃料電池スタック、１４…感知用燃料電池要素、１６…改質器、１８…アクチュエータ、２０…燃料、２２…空気、２４…ラムダ値を決定するための装置、２６…無負荷電圧および温度を評価するための手段、２８…加算器、３０…システム、３４…消費部、３６…消費部用に設けられた燃料電池要素、３８…クランプ・フレーム、４０…温度センサ
【図１】
2009541953.tif 000003
【図２】
2009541953.tif 000004
【図３】
2009541953.tif 000005
【国際調査報告】
2009541953.tif 000006
2009541953.tif 000007
2009541953.tif 000008
2009541953.tif 000009
2009541953.tif 000010
2009541953.tif 000011