(57)【要約】入力燃料、入力水及び入力酸化剤を受け取る燃料電池システムであり、加湿燃料を生成するために、入力燃料を入力水と混合する給湿構体と、加湿燃料を受け取るアノード及び入力酸化剤を受け取るカソードを有する燃料電池と、電力出力設定値及び検出負荷の変化に基づいて燃料電池システムの電力負荷を制御する電力負荷コントローラとを具備する燃料電池システム。負荷が高負荷から低負荷に降下し、その後、目標高電力出力へ立ち上げる能力が回復された場合、コントローラは、燃料電池システムの電力出力を低負荷に対応する電力出力から高負荷に対応する目標高電力出力まで第１の所定の速度で増加するように制御することにより、急速負荷回復手順を実行するように構成される。
2009543297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
電力出力設定値に基づいて前記燃料電池システムにおける電力出力を制御する電力負荷コントローラと
を具備し、
負荷が高負荷から低負荷に降下し、その後、目標高電力出力へ立ち上げる能力が回復された場合、１つ以上の所定の条件の全てが満たされる場合、前記電力負荷コントローラは、前記低負荷に対応する電力出力から前記高負荷に対応する前記目標高電力出力まで第１の所定の速度で増加するために前記燃料電池システムの電力出力を制御することにより急速負荷回復手順を実行するように構成され、前記１つ以上の所定の条件のうち少なくとも１つが満たされない場合、前記電力負荷コントローラは、前記電力出力を前記目標高電力出力に対応する電力出力まで第２の所定の速度で増加するように制御することにより標準負荷回復手順を実行し、
前記第１の所定の速度は前記第２の所定の速度より速いことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池システムは、入力燃料、入力水及び入力酸化剤を受け取り、
前記燃料電池システムは、加湿燃料を生成するために前記入力燃料を前記入力水と混合する給湿構体を更に具備し、
前記燃料電池は、前記加湿燃料を受け取るアノードと前記入力酸化剤を受け取るカソードとを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の入力燃料及び入力酸化剤を受け取る燃料電池システムであって、前記電力負荷コントローラは、少なくとも前記入力燃料及び前記入力水の流量を制御することにより前記電力出力を制御し、前記急速負荷回復手順の実行中、炭素対蒸気比が一定であるように、前記電力負荷コントローラは、前記入力燃料及び前記入力水の流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記電力負荷コントローラは、前記入力酸化剤の流量を制御することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記１つ以上の所定の条件は、高負荷から低負荷への前記負荷の降下と、前記目標高電力出力へ立ち上げる能力の回復との間で経過する時間が第１の所定の時間以下であるという第１の条件を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記１つ以上の所定の条件は、直前の急速負荷回復手順の完了から経過した時間が第２の所定の時間以上であるという第２の条件を更に含むことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記１つ以上の所定の条件は、前記燃料電池システムの電力アラームが起動されないという第３の条件を更に含むことを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第１の時間は１５分であり、前記第２の所定の時間は９０分であることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記第１の所定の速度は５０ｋＷ／分であり、前記第２の速度は０．５ｋＷ／分であることを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池システムは配電網に接続され、前記負荷は前記電力負荷コントローラにより設定されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池システムは配電網から独立しており、前記負荷は、前記燃料電池システムに接続された１つ以上の電力消費装置により判定されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池を有する燃料電池システムを動作させる方法であって、
負荷が高負荷から低負荷に降下し、その後、目標高電力出力へ立ち上げる能力が回復された場合、１つ以上の所定の条件の全てが満たされる場合、前記燃料電池システムの電力出力を前記低負荷に対応する電力出力から前記高負荷に対応する前記目標高電力出力まで第１の所定の速度で増加するように制御することにより急速負荷回復手順を実行し、前記所定の条件のうち少なくとも１つが満たされない場合、前記電力出力を前記目標高電力出力まで第２の所定の速度で増加するように制御することにより標準負荷回復手順を実行するように、電力出力設定値及び前記燃料電池システムの検出負荷の変化に基づいて、コントローラを介して前記燃料電池の電力出力を制御する工程を有し、
前記第１の所定の速度は前記第２の所定の速度より速いことを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記燃料電池システムは、入力燃料、入力水及び入力酸化剤を供給され、
前記燃料電池システムは、加湿燃料を生成するために前記入力燃料を前記入力水と混合する構体を更に具備し、
前記燃料電池は、前記加湿燃料を受け取るアノードと記入力酸化剤を受け取るカソードとを有することを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記燃料電池の前記電力出力を制御する工程は、少なくとも前記入力燃料及び前記入力水の流量を制御する工程を有し、前記急速負荷回復手順の実行中、前記燃料の炭素対蒸気比が一定であるように、前記入力燃料及び前記入力水の前記流量は制御されることを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記入力酸化剤の流量を制御する工程を更に有することを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記１つ以上の所定の条件は、高負荷から低負荷への前記負荷の降下と、前記目標高電力出力へ立ち上げる能力の回復との間で経過する時間が第１の所定の時間以下であるという第１の条件を含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１７】
前記１つ以上の所定の条件は、直前の急速負荷回復手順の完了から経過した時間が第２の所定の時間以上であるという第２の条件を更に含むことを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記１つ以上の所定の条件は、前記燃料電池システムの電力アラームが起動されないという第３の条件を更に含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の所定の時間は１５分であり、前記第２の所定の時間は９０分であることを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の所定の速度は５０ｋＷ／分であり、前記第２の所定の速度は０．５ｋＷ／分であることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記燃料電池システムは配電網に接続され、前記負荷は前記コントローラにより設定されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項２２】
前記燃料電池は配電網から独立しており、前記負荷は、前記燃料電池に接続された１つ以上の電力消費装置により判定されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項２３】
請求項１２記載の方法を実行するようにプログラムされたことを特徴とするコンピュータコントローラ。
【請求項２４】
請求項１２記載の方法の各ステップを実行するためにコンピュータコントローラにより実行されるコンピュータ可読記憶媒体に記憶されたプログラム。
【請求項２５】
前記高負荷は、前記低負荷より少なくとも１０ｋＷ大きく、前記負荷の降下は、前記高負荷から前記低負荷まで１０秒以下の時間の中で降下する瞬時負荷降下であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項２６】
前記高負荷は、前記低負荷より少なくとも１０ｋＷ大きく、前記負荷の降下は、前記高負荷から前記低負荷まで１０秒以下の時間の中で降下する瞬時負荷降下であることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に、燃料電池システムにおける電力負荷回復の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、炭化水素燃料に蓄積された化学エネルギーを電気化学反応によって電気エネルギーに直接変換する装置である。一般に、燃料電池は、帯電イオンを伝導する働きをする電解質により分離されたアノード及びカソードを具備する。有用な電力レベルを生成するために、各燃料電池の間に導電性セパレータプレートを挟持する形態で多数の個別の燃料電池が直列に積み重ねられる。
【０００３】
燃料電池は、アノードに反応体である燃料ガスを通流させ、カソードに酸化ガスを通流させることにより動作する。燃料電池システムの電力出力は、加湿燃料ガス及び酸化ガスがアノード及びカソードにそれぞれ供給され、アノード及びカソードを通してそれぞれ搬送される際の燃料ガス及び酸化ガスの流量にある程度依存する。燃料電池システムの電力出力を低負荷から目標高電力出力に対応する高負荷まで増加又はランプするために、加湿燃料ガス及び酸化剤ガスが燃料電池システムに供給される場合の流量も相応して増加される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
溶融炭酸塩燃料電池（「ＭＣＦＣ」）及び固体酸化物燃料電池（「ＳＯＦＣ」）などの高温燃料電池システムは、約２５０ｋＷ以上の高い電力出力で動作可能である。しかし、燃料電池システムの電力出力又は負荷が変化すると、電気化学反応速度の変化に応答してシステムの熱プロファイルも変化するので、燃料電池スタックに熱応力及び機械的応力が加わる。相対的に一定な熱プロファイルを燃料電池スタック内部に維持し且つスタックに加わる熱応力及び機械的応力を最小限に抑えるために、通常、システムの電力出力、すなわちシステムの負荷は、制御された低速で増加されなければならない。例えば、低負荷で動作するＭＣＦＣシステムの電力出力は、システムが目標高電力出力に到達するまで、通常０．５ｋＷ／分の速度で増加される。その結果、燃料電池スタックを損傷することなく高負荷動作状態に到達するために、燃料電池システムは非常に長い時間を要する。
【０００５】
ある特定の状況において、高負荷条件で動作する燃料電池システムは、高負荷から低負荷へ急激に降下する場合がある。そのような急激な負荷の降下、それによる電力出力の急激な降下は、短時間の配電網分断によって起こると考えられる。その場合、配電網に接続された燃料電池システムは配電網から分断されるので、配電網により形成される負荷源は排除され、システムの負荷はアイランド負荷へと減少する。他の場合、燃料交換などのプロセス変化を可能にするために又はシステム構成要素の故障に対応するために、コントローラにより電力出力の急激な降下が指令される。電力出力の急激な降下の指令は、低負荷状態又は０負荷状態を招く。
【０００６】
高負荷へ立ち上がらせることが可能なほどシステムの能力が戻った時点で、従来の方法は、燃料電池の電力出力を低負荷から高負荷へ徐々に低速で増加又はランプさせ、その増加はターゲット（目標）高電力出力で終了する。目標高電力出力は、通常、直前の高負荷と等価である。従来の方法は、非常に長い時間を必要とするので、システムの電力出力及び効率はかなり低下する。従って、中断後に燃料電池を損傷することなく燃料電池システムを高負荷動作状態に急速に戻すために、負荷の急速な回復が望まれる。
【０００７】
従って、本発明の目的は、高負荷から低負荷への一時的降下の後、燃料電池システムの高負荷状態を急速に回復する方法を提供することである。
【０００８】
本発明の更なる目的は、燃料電池スタックに対する熱応力及び機械的応力を最小限に抑え且つスタックの損傷を招かない急速負荷回復の方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的及び他の目的は、燃料電池と、燃料電池システムの電力出力を制御する電力負荷コントローラとを有する燃料電池システムにおいて実現される。電力負荷コントローラは、負荷が高負荷から低負荷へ降下し、その後、目標高電力出力へランプする（立ち上げる）能力が回復された場合に負荷回復手順を実行するように構成される。目標高電力出力は、高負荷から低負荷への降下の前の高負荷にほぼ等しいか又はそれにごく近い。特に、電力負荷コントローラは、１つ以上の所定の条件の全てが満たされた場合、燃料電池システムの電力出力を低負荷に対応する電力出力から高負荷に対応する目標高電力出力へ第１の所定の速度で増加するように制御することにより、急速負荷回復手順を実行するように構成される。更に、電力負荷コントローラは、所定の条件のうち少なくとも１つが満たされない場合、電力出力を目標高電力出力に対応する電力出力まで第１の所定の速度より遅い第２の所定の速度で増加するように制御することにより、標準負荷回復手順を実行するように構成される。高負荷は、低負荷より少なくとも１０ｋＷ大きく、高負荷から低負荷への負荷降下は、１０秒以下の時間の中での瞬時負荷降下である。
【００１０】
いくつかの例示的な実施形態において、燃料電池システムは、入力燃料、入力水及び入力酸化剤を受け取る。燃料電池システムは、加湿燃料を生成するために、入力燃料を水と混合する給湿構体を具備する。電力負荷コントローラは、少なくとも入力燃料及び入力水の流量を制御することにより、燃料電池システムの電力出力を制御する。急速負荷回復手順の実行中、炭素対蒸気比が一定であるように、入力燃料及び入力水の流量は制御される。いくつかの実施形態において、電力負荷コントローラは、システムに供給される入力酸化剤の流量を更に制御する。
【００１１】
いくつかの例示的な実施形態において、急速負荷回復手順を実行するための所定の条件は、高負荷から低負荷への負荷の降下と目標高電力出力へ立ち上げる能力の回復との間で経過する時間が第１の所定の時間以下であるという第１の条件と、直前の急速負荷回復手順の完了から経過した時間が第２の所定の時間以上であるという第２の条件とを含む。第１の所定の時間の一例は１５分であり、第２の所定の時間の一例は９０分である。第１の所定の速度の例は５０ｋＷ／分であり、第２の所定の速度の例は０．５ｋＷ／分である。場合によっては、所定の条件は、燃料電池システムの電力アラームが起動されないという第３の条件を更に含む。
【００１２】
燃料電池システムのいくつかの例示的な実施形態において、燃料電池システムは配電網に接続され、システムの負荷は電力負荷コントローラにより設定される。他の実施形態において、燃料電池システムは配電網から独立しており、負荷は、燃料電池システムに接続された１つ以上の電力消費装置により判定される。
【００１３】
入力燃料、入力水及び入力酸化剤を供給され、且つ給湿構体とアノード及びカソードを有する燃料電池とを具備する燃料電池システムを動作させる方法も説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明の上記の特徴及び面、並びに他の特徴及び面は、添付の図面に関連して以下の詳細な説明により更に明らかになるであろう。
【図１】図１は、燃料電池システムの電力出力を制御し且つ急速負荷回復を実行する負荷制御構体を採用する燃料電池システムを示す図である。
【図２】図２は、図１の負荷制御構体のコントローラの動作を示すフローチャートである。
【図３】図３は、適切な負荷回復手順を選択する際の図１の負荷制御構体のコントローラの動作を示すフローチャートである。
【図４】図４は、図１の燃料電池システムが配電網から一次的に遮断された後、配電網に対して動作する燃料電池システムの動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、燃料電池システム１００を示す。燃料電池システム１００は、電力負荷コントローラ５０１を含む。電力負荷コントローラ５０１は、負荷及び負荷の経時変化を判定し、電力出力設定値５０１Ａ、判定された燃料電池システム１００の負荷及び負荷の変化に従って、燃料電池システム１００の動作中のシステムの電力出力１００Ａを制御する。電力出力設定値は、判定された負荷及び負荷の変化に基づいてコントローラにより調整される移動設定値であり、発電装置が配電網に接続されている間は、所定の時点における燃料電池システム１００からの所望の電力出力に対応し、発電装置がアイランドモードにあるか又は配電網から遮断されている場合には実際の電力出力に対応する。特に、コントローラ５０１は、少なくとも燃料供給源１０２からの入力燃料及び水供給源１３２からの入力水のシステム１００への流量を電力出力設定値５０１Ａに基づいて制御することにより、システム１００の電力出力１００Ａを制御する。入力燃料及び入力水がシステム１００に供給される流量が、燃料電池システムにより出力される電力の許容量、並びにシステム１００の燃料電池１０９に供給される燃料の蒸気対炭素比を判定することは明らかである。燃料及び水の流量は、システムにより出力される電力が電力出力設定値を満たすような量であることが望ましい。いくつかの実施形態において、コントローラ５０１は、空気供給源１２４からシステム１００に供給される入力空気の量、並びに燃料、水及び空気の流量を変化させることによりシステム１００における動作温度を更に制御する。
【００１６】
図１に示すように、燃料電池システム１００は、給湿構体１０５を更に含む。給湿構体１０５は、燃料電池１０９において使用するために燃料を十分に給湿するように、入力燃料及び入力水を受け取り、それらを混合する。図示する例示的な実施形態において、給湿構体１０５は、加湿燃料を生成するために入力燃料及び入力水を受け取り且つそれらを混合するミキサと、加湿燃料を所定の温度まで予熱する熱交換器とを具備する。図示するように、給湿構体１０５は、燃料供給源１０２から接続ライン１０３ａ及び弁１１２を介して入力燃料を受け取ると共に、水供給源１３２から接続ライン１３３及び弁１３４を介して入力水を受け取る。給湿構体１０５のミキサにおいて、燃料と水は混合されて加湿燃料が生成され、所定の温度まで加熱される。
【００１７】
図１の燃料電池システム１００は、燃料処理構体１０４を更に含む。燃料処理構体１０４は、予熱された加湿燃料を受け取り、清浄化し、更に処理する。処理構体１０４は、脱酸ユニット及び／又は予備改質ユニットを含んでもよい。処理構体１０４において処理を受けた後、燃料は、接続ライン１０７を介して燃料電池１０９の燃料電池アノード１０８へ搬送され、そこで燃料電池１０９の燃料電池カソード１１０を通過する酸化剤ガスと反応して電力出力を発生する。カソード１１０に入力される酸化剤ガスは、酸化装置１２６において生成される。酸化装置１２６は、空気供給源１２４からの入力空気及び燃料電池アノード１０８からの未消費燃料を含むアノード排気ガスを受け取り、入力空気とアノード排気ガスとを混合する。酸化装置１２６は、入力空気及び未消費燃料を燃焼させて、カソード１１０で使用するのに適する加熱酸化剤ガスを生成する。
【００１８】
上述した図１に示すように、燃料供給源１０２からの入力燃料の流量及び水供給源１３２からの入力水の流量は、電力出力設定値と、例えば新たな目標高電力出力へランプする場合などの電力出力設定値の任意の変化とに基づいて、負荷制御構体１０１の電力負荷コントローラ５０１により制御される。電力負荷コントローラ５０１の動作を図２のチャートに概略的に示す。
【００１９】
図２に示すように、第１のステップＳ１において、電力負荷コントローラ５０１は、システム１００の電気負荷及び／又は直前の負荷の判定値に対する負荷の変化を判定する。燃料電池システム１００が配電網に接続されている場合、安定した一定の電圧を供給する配電網は、燃料電池システムからの全負荷を吸収できるので、任意の所定の設定値まで負荷を駆動するか又は必要に応じて負荷を変動させることが可能であることは明らかである。燃料電池システム１００が配電網に接続されていない場合、負荷は「アイランド負荷」により判定される。アイランド負荷は、燃料電池システム１００に接続され且つ燃料電池システム１００から電力を受け取る負荷である。第１のステップＳ１の判定に基づき、第２のステップＳ２において、コントローラ５０１は電力出力設定値を判定し、且つ電力出力設定値を満たす十分な電力がシステム１００により出力されるように入力燃料及び入力水の流量を制御することにより、システムの電力出力を制御する。燃料電池システムが配電網に接続されていない場合、アイランド負荷の必要条件が満たされるように、電力出力設定値は、アイランド負荷と等価に設定される。
【００２０】
図２に示すように、その後、コントローラ５０１は第３のステップＳ３へ進む。第３のステップＳ３において、第１のステップＳ１の判定に基づき、コントローラは、高負荷から低負荷への電力出力の瞬時降下が起こったか否かを判定する。例示的な本実施形態において、高負荷は、低負荷に対して、高負荷が低負荷より少なくとも１０ｋＷ大きくなるような関係を有する。従って、電力出力の瞬時降下は、１０秒以下の時間の中で起こる少なくとも１０ｋＷの降下である。前述のように、高負荷から低負荷への電力出力の瞬時降下は、システムが配電網から遮断され、その結果、負荷が「アイランド負荷」になったことにより起こる場合がある。しかし、システムが配電網に接続されたままであっても、例えば燃料を交換するために低負荷又は無負荷で実行されなければならないシステム変更を容易にするように直ちに負荷を降下するために、電力出力設定値の変化によって、あるいはシステム構成要素の故障によって負荷の瞬時降下は起こりうるであろう。電力出力がほぼ一定であり、高負荷から低負荷への電力出力の瞬時変化は起こらなかったとステップＳ３においてコントローラ５０１が判定した場合、コントローラ５０１は第１のステップＳ１に戻る。その後、コントローラ５０１はステップＳ２へ進み、負荷及び負荷の変化の監視を継続し、第２のステップＳ２において判定された電力出力設定値に従って入力燃料及び入力水の流量を制御することにより、システムの電力出力を制御する。
【００２１】
電力出力が高負荷から低負荷へ瞬時に降下したと第３のステップＳ３において電力負荷コントローラが判定した場合、コントローラ５０１は、第４のステップＳ４へ進む。ステップＳ４において、コントローラは負荷の降下の原因を判定し、目標高電力出力へランプするシステムの能力が回復されているか否かを判定する。目標高電力出力は、電力出力の瞬時降下の直前の高負荷条件とほぼ同一であるか又はそれにごく近い高負荷条件における所望の電力出力である。例えば、電力出力の瞬時降下の原因が配電網からの遮断である場合、システムが配電網に再度接続された時点で、目標高電力出力へ立ち上げる能力は回復される。別の例において、例えば無負荷燃料交換を容易にするために、高負荷から低負荷への電力出力の瞬時降下がコントローラから指令された場合、無負荷燃料交換が完了した時点で、電力出力を立ち上げる能力は回復される。
【００２２】
目標高電力出力へ立ち上げる能力が回復されていないとステップＳ４においてコントローラが判定した場合、コントローラの動作はステップＳ５へ進む。ステップＳ５において、コントローラは、ステップＳ４で判定された負荷に基づいて入力燃料及び入力水の流量を制御することにより、システムの電力出力を制御する。ステップＳ５に続いて、コントローラの動作はステップＳ４に戻り、負荷を再び判定し、目標高電力出力へ立ち上げる能力が回復されたか否かを判定する。目標高電力出力へ立ち上げる能力が回復されていないとステップＳ４において再び判定された場合、目標高電力出力へ立ち上げる能力が回復されたとステップＳ４において判定されるまで、コントローラは、目標高電力出力へ立ち上げる能力を監視し続け、判定された負荷に基づいてシステムの電力出力を制御し続ける（ステップＳ４及びＳ５）。
【００２３】
高い電力出力へ立ち上げる能力が回復されたと第４のステップＳ４においてコントローラ５０１が判定した場合、コントローラの動作はステップＳ６へ進む。ステップＳ６において、コントローラ５０１は、適切な電力負荷回復手順を選択する。この電力負荷回復手順は、目標高電力出力を満たすように電力出力が十分に高くなるまで燃料電池システム１００の電力出力設定値、従って、燃料電池システム１００の電力出力を増加するために、すなわちランプするために使用される。特に、ステップＳ６において、コントローラ５０１は、システムの高電力出力動作を回復するために標準負荷回復手順又は急速負荷回復手順のどちらかを使用すべきかを判定する。ステップＳ６において適切な負荷回復手順が選択された後、コントローラの動作はステップＳ７へ進む。ステップＳ７において、コントローラは、システムの目標高電力出力動作が回復されるまで、Ｓ６で選択された負荷回復手順に従ってシステムの電力出力のランプを制御する。前述のように、システムの電力出力は、燃料電池システムに供給される入力燃料及び入力水の流量を制御することにより制御される。適切な負荷回復手順が完了した時点で、すなわちシステムの電力出力が目標高電力出力を十分に満たす値になった時点で、コントローラ５０１の動作は第１のステップＳ１に戻る。
【００２４】
前述のように、標準負荷回復手順、すなわち従来の負荷回復手順は、熱応力及び機械的応力によるシステムへの損傷を回避するように、電力出力が燃料電池システムの目標高電力出力を十分に満たす値になるまでシステムの電力出力をゆっくり徐々に増加することを必要とする。標準負荷回復手順が採用された場合、電力出力設定値のランプに従って所定の標準速度でシステムの電力出力が増加するように、コントローラ５０１は入力燃料及び入力水の流量を制御する。所定の標準速度は、燃料電池システムの損傷を回避するように十分に遅い速度である。例えば、標準負荷回復手順中に燃料電池システムの電力出力設定値をランプする場合、約０．５ｋＷ／分の速度を使用できる。
【００２５】
しかし、ある特定の条件の下では、低電力出力から目標高電力出力を十分に満たす高い電力出力までシステムの電力出力を急速に増加するために、急速負荷回復手順が採用されてもよい。必要条件が満たされ、急速負荷回復が採用された場合、電力出力が目標高電力出力を十分に満たす値になるまで、所定の標準速度より速い所定の急速負荷回復（「ＲＬＲ」）速度で増加されるように、コントローラ５０１は、システムに供給される入力燃料及び入力水の流量を制御する。例えば、急速負荷回復手順中、約５０ｋＷ／分のＲＬＲ速度で電力出力設定値を増加することにより、燃料電池システムの電力出力が増加されてもよい。急速負荷回復手順を使用することにより、システムは、標準負荷回復手順と比較して非常に短い時間で、目標高電力出力を満たすように高負荷動作に到達できる。
【００２６】
所定のＲＬＲ速度のような高速でシステムの電力出力を増加した結果、アノード１０８に至る燃料経路における燃料の滞留時間に対して、システムの燃料対水比は急速に減少する場合がある。これにより、蒸気で希釈された燃料が燃料電池アノード１０８まで進む速度が遅くなりすぎるため、システムの電力出力及び総性能に悪影響を及ぼす。従って、以下に更に詳細に説明されるように、燃料が必要な速度で燃料電池アノードへ搬送されるよう保証するために、システムの電力出力が増加されている間に燃料の炭素対蒸気比が一定のままであるように、急速負荷回復手順の実行中にシステムに供給される入力燃料及び入力水の流量は制御される必要がある。
【００２７】
図３を参照して、急速負荷回復手順を採用するために必要条件を更に詳細に説明する。図３は、高電力需要が回復された後に使用されるべき負荷回復手順を選択する際のコントローラ５０１の論理動作を示す。図２に関して前述したように、電力出力が高負荷から低負荷へ瞬時に降下し、その後、目標高電力出力へランプするシステムの能力が回復された場合、負荷回復手順は実行される。従って、図３に示すコントローラ５０１の動作は、高電力出力３００でイネーブルされ動作する燃料電池システム１００により開始される。
【００２８】
システム１００の高電力出力動作中のコントローラ５０１の動作の第１のステップＳ１０１において、コントローラ５０１は負荷及び負荷の変化を判定する。前述のように、システムが配電網に接続されている場合、システムの負荷を必要に応じて設定又は調整できる。システムが配電網に接続されていない場合、システムの負荷は「アイランド負荷」により判定される。次のステップＳ１０２において、Ｓ１０１で判定された負荷及び負荷の変化に基づいて、コントローラ５０１は電力出力設定値を判定し、その電力出力設定値に基づいて入力燃料及び入力水の流量を制御することにより、システムの電力出力を制御する。その後、コントローラ５０１の動作は第３のステップＳ１０３へ進む。ステップＳ１０３において、コントローラは、電力出力が高負荷から低負荷へ瞬時に降下したか否かを判定する。電力出力が瞬時に降下しなかったとステップＳ１０３において判定された場合、コントローラの動作は第１のステップＳ１０１に戻る。
【００２９】
しかし、電力出力が高負荷から低負荷へ瞬時に降下したとステップＳ１０３において判定された場合、コントローラの動作はステップＳ１０４へ進む。ステップＳ１０４において、コントローラは負荷の降下の原因を判定し、目標高電力出力へランプするシステムの能力が回復されたか否かを判定する。前述のように、目標高電力出力は、電力出力が高負荷から低負荷へ瞬時に降下する前の電力出力とほぼ等価であるか又はそれにごく近い。目標高電力出力へ立ち上げる能力が回復されていないとステップＳ１０４においてコントローラ５０１が判定した場合、コントローラの動作はステップＳ１０５へ進む。ステップＳ１０５において、Ｓ１０４で判定された負荷に基づいて電力出力設定値が判定され、その電力出力設定値に基づいて入力燃料及び入力水の流量を制御することにより、システムの電力出力は制御される。その後、コントローラの動作はステップＳ１０４に戻る。前述のように、コントローラ５０１は負荷を監視し続け、目標高電力出力へ立ち上げる能力が回復されたとステップＳ１０４において判定されるまで、検出された負荷に基づいて入力燃料及び入力水の流量を制御することにより、電力出力設定値及びシステムの電力出力を制御し続ける。
【００３０】
目標高電力出力へ立ち上げる能力が回復されたとステップＳ１０４においてコントローラ５０１が判定した場合、コントローラ５０１の動作はステップＳ１０６ａへ進む。ステップＳ１０６ａにおいて、コントローラ５０１は、高負荷から低負荷への電力出力の瞬時降下の判定から第１の所定の時間に等しい所定の時間が経過したか否かを判定する。第１の所定の時間は、燃料電池システムの大きさ及び種類を含む種々の要因に応じて異なってもよい。例えば、２５０ｋＷ直接改質型溶融炭酸塩燃料電池システムの場合、第１の所定の時間は約１５分である。電力出力の瞬時降下から第１の所定の時間が経過したとステップＳ１０６ａにおいて判定された場合、コントローラの動作はステップＳ１０７へ進む。ステップＳ１０７において、急速負荷回復手順の実行は中止され、標準負荷回復手順が選択される。前述のように、標準負荷回復手順は、電力出力が回復された目標高電力出力と等価になるまで、電力出力設定値をゆっくりと徐々に増加することにより、すなわち、入力燃料及び入力水の流量を制御することにより電力出力設定値に従ってシステム１００の電力出力をゆっくりと徐々に増加することにより実行される。
【００３１】
電力出力の瞬時降下から第１の所定の時間がまだ経過していないとステップＳ１０６ａにおいてコントローラ５０１が判定した場合、コントローラの動作はステップＳ１０６ｂへ進む。ステップＳ１０６ｂにおいて、コントローラ５０１は、急速負荷回復手順が最後に使用されてから十分な時間が経過したか否かを判定する。特に、Ｓ１０６ｂにおいて、コントローラ５０１は、直前の急速負荷回復手順の完了から第２の時間に等しい所定の時間が経過したか否かを判定する。第１の所定の時間と同様に、第２の所定の時間も、使用される燃料電池システムの種類及び大きさに応じて異なる。例えば、２５０ｋＷ直接改質型溶融炭酸塩燃料電池システムが採用される場合、第２の所定の時間は９０分に等しい。
【００３２】
直前の急速負荷回復手順の完了から第２の所定の時間が経過していないとステップＳ１０６ｂにおいてコントローラ５０１が判定した場合、コントローラの動作はステップＳ１０７へ進む。ステップＳ１０７において、急速負荷回復手順の実行は中止され、標準負荷回復手続が選択される。第２の時間が経過したとＳ１０６ｂにおいてコントローラ５０１が判定した場合、コントローラ５０１はステップＳ１０６ｃへ進む。ステップＳ１０６ｃにおいて、コントローラ５０１は、あらかじめ選択された任意の電力アラームが起動されたか否かを感知する。ある特定の場合、あらかじめ選択された電力アラームは、燃料電池システム１００の全ての電力アラームを含むが、他の場合には、あらかじめ選択された電力アラームは、急速負荷回復手順中にシステムの性能に悪影響を及ぼすと考えられる電力アラームのみを含む。１つ以上のあらかじめ選択された電力アラームが起動されたことをコントローラ５０１が感知した場合、コントローラの動作はステップＳ１０７へ進み、標準負荷回復手順を選択する。しかし、あらかじめ選択された電力アラームが起動されなかったことをコントローラ５０１が確認した場合、コントローラの動作はステップＳ１０８へ進む。ステップＳ１０８において、燃料電池システムの高電力出力動作を回復するために、急速負荷回復手順が選択される。
【００３３】
前述のように、急速負荷回復手順が選択された場合、燃料電池システムの電力出力は、電力出力設定値に従って、標準負荷回復手順が使用される場合と比較して急速に増加される。ある特定の実施形態において、電力出力設定値、すなわちシステムの電力出力は、約５０ｋＷ／分の速度で増加される。この速度は、標準負荷回復手順で使用される速度の１００倍の速さである。急速負荷回復の実行中、所定のＲＬＲ速度でランプされる電力出力設定値に従ってシステムの電力出力を増加するように、入力燃料及び入力水の流量は制御される。更に、加湿燃料が必要な流量で燃料電池アノードへ搬送されることを保障するために、急速負荷回復手順が実行されている間、燃料の炭素対蒸気比が一定のままであるように、コントローラは燃料及び水の流量を制御する。例えば、２５０ｋＷ直接改質型燃料電池システムが使用される場合、炭素対蒸気比が約２．０のままであるように、コントローラ５０１は入力燃料及び入力水の流量を制御する。
【００３４】
前述のように、負荷回復手順は、燃料電池システムの電力出力がステップＳ１０４で判定された目標高電力出力を十分に満たす値になるまで実行される。電力出力が目標高電力出力を十分に満たす値になった時点で負荷回復手順は完了し、燃料電池システムの動作は開始され、高電力出力３００で動作しており、コントローラ５０１の動作は、第１のステップＳ１０１に戻る。
【００３５】
急速負荷回復手順は、燃料電池システムの電力出力の値を事前に設定できる配電網に接続された燃料電池システムにおいて特に有用である。前述のように、一時的な配電網の分断が起こった場合、燃料電池システム１００は一時的に配電網から遮断され、その結果、電力出力はアイランド負荷まで瞬時に降下する。燃料電池システム１００が配電網に再度接続されると、短い時間の後、目標高電力出力へ立ち上げる能力が回復される。そのような状況において、通常、急速負荷回復手順は、システムが配電網に接続し、電力出力を目標高電力出力までランプさせる能力が回復された後に、システムの電力出力を急速に回復させるのに適している。図４は、配電網に接続された燃料電池システムが配電網から一時的に短時間遮断された場合のコントローラ５０１の制御の下の燃料電池システムの動作を示す。
【００３６】
図４に示されるように、第１のステップＳ２０１において、燃料電池システムは配電網に接続される。これにより、システムの電力出力は、電力出力設定値に追従し、目標高電力出力を十分に満たす高レベルで電力を送出している。ステップＳ２０２において、燃料電池システムが配電網から遮断され低負荷が判定された場合、燃料電池システムの高電力動作は中断される。前述のように、配電網の分断によって、又はシステム内部の燃料電池システム構成要素の故障又はプロセス変化などの１つ以上の他の要因によって、システムは配電網から遮断される場合がある。先に図２及び図３に関して前述したように、システムのコントローラが高負荷から低負荷への電力出力の瞬時降下を判定した場合、システムが配電網に再度接続されるまで、コントローラは、低負荷での電力出力設定値に従って入力燃料の流量及び入力水の流量を制御する。
【００３７】
ステップＳ２０３において燃料電池が配電網に再度接続した場合、目標高電力出力へ立ち上げる能力は回復されている。しかし、図４に示すように、システムは、低負荷で直前の配電網に依存しない電力出力で配電網に再度接続しており、システムの電力出力が目標高電力出力を十分に満たす値になるまで、電力出力は増加又はランプされる必要がある。燃料電池システムが配電網から短時間遮断された場合、システムの電力出力を急速にランプする急速負荷回復手順が適切であろう。従って、ステップＳ２０３において燃料電池システムが配電網に再度接続され、電力出力をランプする準備が整った場合、動作はステップＳ２０４へ進む。ステップＳ２０４において、コントローラは、急速負荷回復手順の条件が満たされるか否かを判定する。それらの条件は、システムが配電網から遮断されてから最長の時間が経過したこと、直前の急速負荷回復手順の完了から最短の時間が経過したこと及びあらかじめ選択された電力アラームが起動されなかったことを含む。
【００３８】
先に図３に関して前述したように、ステップＳ２０４において、コントローラは、システムが配電網から遮断された時点から第１の時間に等しい所定の時間が経過したか否かを判定する。本明細書中で説明される例示的な実施形態において、第１の所定の時間は１５分である。第１の所定の時間が経過していた場合、急速負荷回復手順の条件は満たされておらず、ステップＳ２０５において、コントローラは標準負荷回復手順を選択する。これにより、目標高電力出力を満たすまで、システムの電力出力は、電力出力設定値に従ってゆっくりと徐々に増加される。
【００３９】
第１の時間がまだ経過していない場合、コントローラは、直前の急速負荷回復手順の完了から第２の所定の時間が経過したか否かを判定する。本明細書中で説明される例示的な実施形態において、第２の所定の時間は９０分である。第２の所定の時間が経過していないとコントローラが判定した場合、急速負荷回復手順の条件は満たされておらず、ステップＳ２０５において、急速負荷回復の実行は中止され、標準負荷回復手順が選択される。第２の所定の時間が経過したとコントローラが判定した場合、コントローラは、急速負荷回復を阻止すると考えられる任意のあらかじめ選択された電力アラームが起動されたか否かを判定する。そのような電力アラームが起動されていた場合、Ｓ２０５において、急速負荷回復の実行は中止され、標準負荷回復手順が選択される。電力アラームが起動されなかったとコントローラが判定した場合、急速負荷回復手順の条件は満たされており、システムの動作はステップＳ２０６へ進む。ステップＳ２０６において、急速負荷回復手順が選択され、実行される。
【００４０】
前述のように、急速負荷回復手順は、電力出力設定値及び燃料電池の電力出力を標準負荷回復手順中の速度より急速に増加することにより実行される。例示的な本実施形態において、急速負荷回復手順中に電力出力設定値が増加されるＲＬＲ速度は５０ｋＷ／分である。これに対し、標準負荷回復手続中に電力出力設定値が増加される標準速度は０．５ｋＷ／分である。システムの電力出力は、入力燃料及び入力水の流量を制御することにより、電力出力設定値に従って増加され、急速負荷回復手順中、炭素対蒸気比が一定のままであるように、入力燃料及び入力水の流量は制御される。
【００４１】
高負荷から低負荷への一時的な降下が起こり、その後、高負荷条件の目標高電力出力へ立ち上げる能力が回復された後、本明細書中で説明される急速負荷回復手順により、標準負荷回復手順が採用された場合と比較して非常に短い時間で、燃料電地システムは高電力出力動作に戻ることができる。高電力出力動作を急速に回復できることにより、燃料電池システムによる効率及び発電能力は急速に向上する。更に、負荷の急激な降下の時点から短時間のうちに急速負荷回復手順が実行されるので、燃料電池システムは低温まで冷却されず、システムの電力出力が高速で増加されても、システム構成要素は損傷を受けることはない。
【００４２】
尚、コントローラ５０１は、GEにより製造されている従来のＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ‐本質的に信頼性の高いロバストコンピュータ）であってもよい。使用される制御プログラムは、産業オートメーション用GE ＰＬＣにおいて実現可能な同様にGEの製品である「Versapro」と呼ばれるソフトウェア製品であってもよい。他の実施形態において、コントローラは、Foxboroにより製造されている従来のＤＣＳ（分散制御システム）であってもよく、制御プログラムは、同様にFoxboroにより製造されている産業オートメーション用ＤＣＳにおいて実現されるソフトウェアであってもよい。更に別の実施形態において、コントローラは、従来のＰＬＣ系の「Iconics」システムであってもよい。
【００４３】
急速負荷回復の実行に使用される時間及び他の条件は、本明細書中で説明された条件に限定されないことが理解される。前述のように、急速負荷回復手順を採用すべきか否かを判定する場合にコントローラにより使用される第１の所定の時間及び第２の所定の時間は、燃料電池の種類及び大きさに応じて変更されてもよい。更に、急速負荷回復手順を採用すべきか否かを判定する場合に、本明細書中で特定して述べられていない他の条件が使用されてもよい。
【００４４】
以上説明した構成は、本発明の適用用途を表現する多くの可能な特定の実施形態を単に例示しているにすぎないことが理解される。本発明の趣旨の範囲から逸脱せずに、本発明の原理に従って多くの多様な他の構成を容易に考案できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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