(57)【要約】燃料を受け取るように構成されたアノード及び酸化剤を受け取るように構成されたカソードを有する燃料電池と、前記アノードの出力及び入力酸化剤を受け取り、酸化剤ガスを前記カソードに対して出力するように構成されたアノード酸化構体と、第１の燃料流量制御部を含み、第１の流量以下である流量で燃料を前記アノードに供給するように構成された燃料供給構体と、少流量バイパス構体であって、燃料電池システムの第１の状態が発生した場合、供給される燃料の流量を前記第１の流量より少ない第２の流量に制限するように、前記燃料供給部により供給される燃料を前記第１の燃料流量制御部をバイパスし、前記少流量バイパス構体を通過するように流通させる少流量バイパス構体とを含む燃料電池システム。
2009533829.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、
燃料を受け取るように構成されたアノード及び酸化剤を受け取るように構成されたカソードを有する燃料電池と、
前記アノードの出力及び入力酸化剤を受け取り、前記カソードに対して酸化剤ガスを出力するように構成されたアノード酸化構体と、
第１の燃料流量制御部を含み、第１の流量以下である流量で前記アノードに燃料を供給するように構成された燃料供給構体と、
少流量バイパス構体であって、前記燃料電池システムの第１の状態に応答して、供給される燃料の流量を前記第１の流量より少ない第２の流量に制限するように、前記燃料供給部により供給される燃料を前記第１の燃料流量制御部をバイパスし、前記少流量バイパス構体を通過するように流通させる少流量バイパス構体と
を具備し、
前記第１の状態は、前記アノード酸化構体内部の温度が所定の温度範囲内である状態である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の前記第１の状態に応答して、前記燃料供給構体及び前記少流量バイパス構体を制御するプログラム可能制御構体をさらに具備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】
前記燃料供給構体は供給ラインを含み、
前記第１の燃料流量制御部は、前記供給ラインを通過する燃料の流量を制御し、
前記少流量バイパス構体は、
前記第１の燃料流量制御部の上流側で前記燃料供給ラインと結合された第１の端部及び前記第１の燃料流量制御部の下流側で前記燃料供給ラインと結合された第２の端部を有するバイパスラインと、
前記バイパスラインを通過する燃料の流量を制御する少流量バイパス制御部と
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４】
前記少流量バイパス構体は、燃料の流量を前記第２の流量に制限する流量制限部をさらに具備し、
前記流量制限部は、前記少流量バイパス制御部の下流側に配置されてい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】
前記第１の流量は約５５ｓｃｆｍであり、
前記第２の流量は約４ｓｃｆｍであり、
前記アノード酸化構体における前記所定の温度範囲は７００°Ｆから１，０００°Ｆであることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸化構体における温度が前記所定の温度範囲内である場合、前記第１の燃料流量制御部は閉鎖されかつ前記少流量バイパス制御部は開放され、
前記酸化構体における温度が前記所定の温度範囲を超える場合、前記第１の燃料流量制御部は開放されかつ前記少流量バイパス制御部は閉鎖されることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸化構体は、前記酸化構体により受け取られる前記アノード出力及び前記入力酸化剤を酸化するための酸化触媒を含み、
前記酸化構体における前記温度は、前記酸化触媒の温度に基づく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】
前記所定の温度範囲は７００°Ｆから１，０００°Ｆであることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料供給構体は、前記燃料電池システムへの燃料の供給を制御する第２の燃料流量制御部をさらに含み、
前記第２の燃料流量制御部は、前記少流量バイパスラインの前記第１の端部の下流側にある請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記酸化触媒の前記温度に応答して、前記第１の燃料流量制御部及び前記第２の燃料流量制御部の開閉並びに前記バイパス制御部の開閉を制御するプログラム可能制御構体をさらに具備することを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記第１の燃料流量制御部は、ブロックソレノイド弁であり、
前記少流量バイパス制御部は、ブロックソレノイド弁であることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料をあらかじめ選択された温度まで加熱する加熱装置をさらに具備し、
前記加熱装置は、前記供給ラインから燃料を受け取り、加熱された燃料を前記アノードに対して出力するように構成されることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記加熱装置から第２の供給ラインを介して前記加熱された燃料を受け取り、前記加熱された燃料を処理し、前記処理された燃料を前記アノードに対して出力するように構成された燃料処理構体をさらに具備することを特徴とする請求項１２記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記酸化触媒の前記温度に応答して、前記第１の燃料流量制御部及び前記第２の燃料流量制御部の開閉並びに前記バイパス制御部の開閉を制御するプログラム可能制御構体をさらに具備することを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料をあらかじめ選択された温度まで加熱する加熱装置であって、前記供給ラインから燃料を受け取り、加熱された燃料を前記アノードに対する別の供給ラインへ出力するように構成された加熱装置と、
加熱バイパス構体であって、前記燃料電池システムの少なくとも第２の状態及び第３の状態が発生した場合、前記燃料供給構体により供給される燃料の一部又は全てを前記第１の燃料流量制御部及び前記加熱装置をバイパスし、前記加熱バイパス構体を通過するように流通させ、前記アノードに供給させる加熱バイパス構体と
をさらに具備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１６】
前記燃料電池システムの前記第１の状態、前記第２の状態及び前記第３の状態に応答して、前記燃料供給構体、前記少流量バイパス構体及び前記加熱バイパス構体を制御するプログラム可能制御構体をさらに具備することを特徴とする請求項１５記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記第２の状態は、前記酸化構体における前記温度が前記所定の温度範囲の上限を超える状態であり、
前記第３の状態は、前記燃料電池が所定の出力レベルを超える出力レベルで動作している状態であることを特徴とする請求項１６記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記第２の状態は、前記酸化構体における前記温度が前記所定の温度範囲の上限を超える状態であり、
前記第３の状態は、前記燃料電池が所定の出力レベルを超える出力レベルで動作している状態であることを特徴とする請求項１５記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記加熱構体は、
前記第１の燃料流量制御部の上流側で前記供給ラインと結合された第１の端部及び前記加熱装置の下流側で前記別の供給ラインと結合された第２の端部を有する加熱バイパスラインと、
前記加熱バイパスラインを通過する燃料の流量を制御する加熱バイパス制御部と
を具備することを特徴とする請求項１８記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記加熱装置から前記別の供給ラインを介して前記加熱された燃料を受け取り、前記加熱された燃料を処理し、前記処理された燃料を前記アノードに対して出力するように構成された燃料処理構体をさらに具備することを特徴とする請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記酸化構体における温度が前記所定の温度範囲内にある場合、前記少流量バイパス制御部は開放されかつ前記第１の燃料流量制御部及び前記加熱バイパス制御部は閉鎖され、
前記酸化構体における温度が前記所定の温度範囲の上限を越える場合及び前記燃料電池が前記所定の出力レベルを超える出力レベルで動作している場合、前記加熱バイパス制御部及び前記第１の燃料流量制御部は開放されかつ前記少流量バイパス制御部は閉鎖されることを特徴とする請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記所定の出力レベルは４５Ｋｗであることを特徴とする請求項２１記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記所定の温度範囲は７００°Ｆから１，０００°Ｆであることを特徴とする請求項２２記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記酸化構体は、前記酸化構体により受け取られる前記アノード出力及び前記入力酸化剤を酸化するための酸化触媒を含み、前記酸化構体における前記温度は前記酸化触媒の温度に基づくことを特徴とする請求項２１記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記燃料供給構体は、供給ラインを含み、
前記第１の燃料流量制御部は、前記供給ラインを通過する燃料の流量を制御し、
前記少流量バイパス構体は、
前記第１の燃料流量制御部の上流側で前記燃料供給ラインと結合された第１の端部及び前記第１の燃料流量制御部の下流側で前記燃料供給ラインと結合された第２の端部を有するバイパスラインと、
前記バイパスラインを通過する燃料の流量を制御する少流量バイパス制御部と
を含み、
前記燃料供給構体は、前記燃料電池システムへの燃料の供給を制御する第２の燃料流量制御部をさらに含み、
前記第２の燃料流量制御部は、前記少流量バイパスラインの前記第１の端部の上流側にあることを特徴とする請求項２４記載の燃料電池システム。
【請求項２６】
前記酸化触媒の前記温度及び前記燃料電池の前記出力レベルに応答して、前記第１の燃料流量制御部及び前記第２の燃料流量制御部の開閉、前記バイパス制御部の開閉並びに前記加熱バイパス制御部の開閉を制御するプログラム可能制御構体をさらに具備することを特徴とする請求項２５記載の燃料電池システム。
【請求項２７】
前記第１の燃料流量制御部は、ブロックソレノイド弁であり、
前記バイパス流量制御部は、ブロックソレノイド弁であり、
前記加熱バイパス制御部は、ブロックソレノイド弁であることを特徴とする請求項２６記載の燃料電池システム。
【請求項２８】
燃料を受け取るように構成されたアノード及び酸化剤ガスを受け取るように構成されたカソードを有する燃料電池と、前記アノードの出力及び入力酸化剤を受け取り、酸化剤ガスを前記カソードに対して出力するように構成されたアノード酸化構体と、第１の燃料流量制御部を含み、第１の流量以下である流量で前記アノードに燃料を供給するように構成された燃料供給構体と、少流量バイパス構体とを具備する燃料電池システムを動作する方法であって、
前記燃料電池システムの１つ以上の状態を検出するステップと、
前記検出するステップにおいて前記燃料電池システムの第１の状態の発生を検出した場合、供給される燃料の流量を前記第１の流量より少ない第２の流量に制限するように、前記燃料供給部により供給される燃料を前記第１の燃料流量制御部をバイパスし、前記少流量バイパス構体を通過するように流通させるステップと
を含み、
前記第１の状態は、前記アノード酸化構体における温度が所定の温度範囲内である状態であることを特徴とする方法。
【請求項２９】
前記流通させるステップは、前記燃料電池システムの前記第１の状態に応答して、前記燃料供給構体及び前記少流量バイパス構体を制御するプログラム可能制御構体を使用するステップを含むことを特徴とする請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
前記所定の温度範囲は７００°Ｆから１，０００°Ｆであることを特徴とする請求項２８記載の方法。
【請求項３１】
前記燃料供給構体は、供給ラインを含み、
前記第１の燃料流量制御部は、前記供給ラインを通過する燃料の流量を制御し、
前記少流量バイパス構体は、
前記第１の燃料流量制御部の上流側で前記燃料供給ラインと結合された第１の端部及び前記第１の燃料流量制御部の下流側で前記燃料供給ラインと結合された第２の端部を有するバイパスラインと、
前記バイパスラインを通過する燃料の流量を制御する少流量バイパス制御部と
を含むことを特徴とする請求項２８記載の方法。
【請求項３２】
前記少流量バイパス構体は、燃料の流量を第２の流量に制限する流量制限部をさらに具備し、
前記流量制限部は、前記少流量バイパス制御部の下流側に配置されていることを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
前記第１の流量は、約５５ｓｃｆｍであり、
前記第２の流量は、約４ｓｃｆｍであり、
前記アノード酸化構体における前記所定の温度範囲は７００°Ｆから１，０００°Ｆであることを特徴とする請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
前記流通させるステップは、前記酸化構体における温度が前記所定の温度範囲内にある場合、前記第１の燃料流量制御部を閉鎖させかつ前記少流量バイパス制御部を開放させ、前記酸化構体における温度が前記所定の温度範囲を超える場合、前記第１の燃料流量制御部を開放させかつ前記少流量バイパス制御部を閉鎖させるステップであることを特徴とする請求項３２記載の方法。
【請求項３５】
前記酸化構体は、前記酸化構体により受け取られる前記アノード出力及び前記入力酸化剤を酸化するための酸化触媒を含み、
前記酸化構体における前記温度は、前記酸化触媒の温度に基づくことを特徴とする請求項３４記載の方法。
【請求項３６】
前記所定の温度範囲は７００°Ｆから１，０００°Ｆであることを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
前記燃料供給構体は、前記燃料電池システムへの燃料の供給を制御する第２の燃料流量制御部をさらに含み、
前記第２の燃料流量制御部は、前記少流量バイパスラインの前記第１の端部の上流側にあることを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項３８】
前記流通させるステップは、前記酸化触媒の前記温度に応答して、前記第１の燃料流量制御部及び前記第２の燃料流量制御部の開閉並びに前記バイパス制御部の開閉を制御するプログラム可能制御構体を使用するステップを含むことを特徴とする請求項３７記載の方法。
【請求項３９】
前記第１の燃料流量制御部は、ブロックソレノイド弁であり、
前記少流量バイパス制御部は、ブロックソレノイド弁であることを特徴とする請求項３７記載の方法。
【請求項４０】
前記燃料電池システムは、前記燃料をあらかじめ選択された温度まで加熱する加熱装置をさらに具備し、
前記加熱装置は、前記供給ラインから燃料を受け取り、加熱された燃料を前記アノードに対して出力するように構成されることを特徴とする請求項３７記載の方法。
【請求項４１】
前記燃料電池システムは、前記加熱装置から第２の供給ラインを介して前記加熱された燃料を受け取り、前記加熱された燃料を処理し、前記処理された燃料を前記アノードに対して出力するように構成された燃料処理構体をさらに具備することを特徴とする請求項４０記載の方法。
【請求項４２】
前記流通させるステップは、前記酸化触媒の前記温度に応答して、前記第１の燃料流量制御部及び前記第２の燃料流量制御部の開閉並びに前記バイパス制御部の開閉を制御するプログラム可能制御構体を使用するステップを含むことを特徴とする請求項４１記載の方法。
【請求項４３】
前記燃料電池システムは、前記燃料をあらかじめ選択された温度まで加熱する加熱装置であって、前記供給ラインから燃料を受け取り、加熱された燃料を前記アノードに対する別の供給ラインへ出力するように構成された加熱装置と、加熱バイパス構体とを具備し、
前記方法は、
前記燃料電池システムの少なくとも第２の状態及び第３の状態の発生が検出された場合、前記燃料供給構体により供給される燃料の一部又は全てを前記第１の燃料流量制御部及び前記加熱装置をバイパスし、前記アノードに供給させるために、前記加熱バイパス構体を通過するようにさらに流通させるステップを含むことを特徴とする請求項２８記載の方法。
【請求項４４】
前記流通させるステップ及び前記さらに流通させるステップは、前記燃料電池システムの前記第１の状態、前記第２の状態及び前記第３の状態に応答して、前記燃料供給構体、前記少流量バイパス構体及び前記加熱バイパス構体を制御するプログラム可能制御構体を使用するステップを含むことを特徴とする請求項４３記載の方法。
【請求項４５】
前記第２の状態は、前記酸化構体における前記温度が前記所定の温度範囲の上限を超える状態であり、
前記第３の状態は、前記燃料電池が所定の出力レベルを超える出力レベルで動作している状態であることを特徴とする請求項４４記載の方法。
【請求項４６】
前記第２の状態は、前記酸化構体における前記温度が前記所定の温度範囲の上限を超える状態であり、
前記第３の状態は、前記燃料電池が所定の出力レベルを超える出力レベルで動作している状態であることを特徴とする請求項４３記載の方法。
【請求項４７】
前記加熱構体は、
前記第１の燃料流量制御部の上流側で前記供給ラインと結合された第１の端部及び前記加熱装置の下流側で前記別の供給ラインと結合された第２の端部を有する加熱バイパスラインと、
前記加熱バイパスラインと通過する燃料の流量を制御する加熱バイパス制御部と
を具備することを特徴とする請求項４６記載の方法。
【請求項４８】
前記燃料電池システムは、前記加熱装置から前記別の供給ラインを介して前記加熱された燃料を受け取り、前記加熱された燃料を処理し、前記処理された燃料を前記アノードに対して出力するように構成された燃料処理構体をさらに具備することを特徴とする請求項４７記載の方法。
【請求項４９】
前記流通させるステップ及び前記さらに流通させるステップは、
前記酸化構体における温度が前記所定の温度範囲内である場合、前記少流量バイパス制御部を開放させかつ前記第１の燃料流量制御部及び前記加熱バイパス制御部を閉鎖させるように制御するステップと、
前記酸化構体における温度が前記所定の温度範囲の上限を超える場合及び前記燃料電池が前記所定の出力レベルを超える出力レベルで動作している場合、前記加熱バイパス制御部を開放させかつ前記少流量バイパス制御部を閉鎖させるように制御するステップと
を含むことを特徴とする請求項４７記載の方法。
【請求項５０】
前記所定の出力レベルは４５Ｋｗであることを特徴とする請求項４９記載の方法。
【請求項５１】
前記所定の温度範囲は７００°Ｆから１，０００°Ｆであることを特徴とする請求項５０記載の方法。
【請求項５２】
前記酸化構体は、前記酸化構体により受け取られる前記アノード出力及び前記入力酸化剤を酸化するための酸化触媒を含み、
前記酸化構体における前記温度は、前記酸化触媒の温度に基づくことを特徴とする請求項４９記載の方法。
【請求項５３】
前記燃料供給構体は、供給ラインを含み、
前記第１の燃料流量制御部は、前記供給ラインを通過する燃料の流量を制御し、
前記少流量バイパス構体は、
前記第１の燃料流量制御部の上流側で前記燃料供給ラインと結合された第１の端部及び前記第１の燃料流量制御部の下流側で前記燃料供給ラインと結合された第２の端部を有するバイパスラインと、
前記バイパスラインを通過する燃料の流量を制御する少流量バイパス制御部と
を含み、
前記燃料供給構体は、前記燃料電池システムへの燃料の供給を制御する第２の燃料流量制御部をさらに含み、
前記第２の燃料流量制御部は、前記少流量バイパスラインの前記第１の端部の上流側にあることを特徴とする請求項５２記載の方法。
【請求項５４】
前記流通させるステップ及び前記さらに流通させるステップは、前記酸化触媒の前記温度及び前記燃料電池の前記出力レベルに応答して、前記第１の燃料流量制御部及び前記第２の燃料流量制御部の開閉、前記バイパス制御部の開閉並びに前記加熱バイパス制御部の開閉を制御するプログラム可能制御構体を使用するステップを含むことを特徴とする請求項５３記載の方法。
【請求項５５】
前記第１の燃料流量制御部は、ブロックソレノイド弁であり、
前記バイパス流量制御部は、ブロックソレノイド弁であり、
前記加熱バイパス制御部は、ブロックソレノイド弁であることを特徴とする請求項５４記載の方法。
【請求項５６】
請求項２８記載の方法を実行することを特徴とするプログラムドコンピュータコントローラ。
【請求項５７】
請求項４３記載の方法を実行することを特徴とするプログラムドコンピュータコントローラ。
【請求項５８】
請求項２８記載の方法の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ことを特徴とす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５９】
請求項４３記載の方法の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。
【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、燃料電池に使用するための燃料流量制御構体に関する。
【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発生するために、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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
溶融炭酸塩燃料電池（「ＭＣＦＣ」）システムは、アノードに反応体である燃料ガスを通す一方、カソードに酸化ガスを通すことにより動作する。通常のＭＣＦＣシステムは、燃料電池のアノードの下流側にアノード排気ガス酸化装置を含む。酸化装置は、燃料電池のカソードに供給するための空気又は酸化剤ガスに追加するのに適した酸化ガスを生成するために、アノード排気中の水素、一酸化炭素及び未反応炭化水素を酸化するための酸化触媒を具備する。場合によっては、酸化装置は、酸化装置の前方に配置されるミキサを含む排気ガス酸化構体に組み込まれる。この構体においては、まず、アノード排気ガスストリーム（流れ）とカソード供給空気又は酸化剤とがミキサの中で混合され、混合ガスは酸化装置へ送出し、酸化装置内の酸化触媒にさらすことによって排気ガスを酸化する。その後、酸化によって生成された酸化剤及び二酸化炭素を豊富に含有するガスは、燃料電池のカソードへ送出される。
【０００４】
ＭＣＦＣシステムは、通常、燃料を追加する前に７００°Ｆを超える温度まで加熱される。従って、その動作温度に到達するために、ＭＣＦＣシステムは非常に長い始動時間を必要とする。特にＭＣＦＣシステムの動作の始動期間中又は加熱期間中、ＭＣＦＣシステムにおける温度が１，０００°Ｆ以下である場合、ＭＣＦＣシステムが動作温度に到達した後と比較すると、アノード酸化構体の排気中に存在するメタンの形態をとる未反応燃料の量は著しく多い。アノード排気中に存在するメタンの濃度が高いと、多くの場合、酸化装置におけるアノード排気ガスの酸化が不完全になるため、メタンガスは反応しなかった酸化触媒を通して漏れ出してしまう。１，０００°Ｆ以下である場合、酸化装置におけるメタン及び他の炭化水素の反応は保証されない。さらに、アノードガス酸化構体の排気ガス中のメタンの濃度が高く、メタンが蓄積されると、非常に大量の発火性ガス混合物が形成され、ＭＣＦＣシステムにおいて望ましくない状態が発生する。
【０００５】
ＭＣＦＣシステムにおける上記の混合物の形成を回避し、酸化触媒を通して過剰な未反応メタンガスが漏れるのを防止するために、ＭＣＦＣシステムに流入する燃料の流量は正確に制御されなければならない。燃料流量を制御する一般的な方法は、アノードガス酸化構体の排気中の過剰なメタンを検出するためのガス解析装置を採用し、解析装置による検出に基づいて、アノードガス酸化構体の排気中のメタンの蓄積を防止しかつ発火する可能性がある混合物の形成を防止するように燃料流量を制御する。一般に、燃料流量は、燃料供給源の下流側及び燃料電池のアノードの上流側で２つの弁を使用して制御される。第１の弁の大きさは、少ない流量の燃料ガスを通過させるように設定され、第２の弁の大きさは、中程度の流量から高い流量の燃料ガスを通過させるように設定される。あるいは、燃料流量は、ＭＣＦＣシステムに流入する燃料ガスの入口圧力を自動圧力制御弁を使用して変化させることにより制御されていた。後者の燃料流量制御方法は、多くの場合、ＭＣＦＣシステムのフルロード（全負荷）動作に必要とされる燃料流量を可能にする最小圧力に燃料圧力を設定することにより実行される。
【０００６】
燃料電池のアノードに供給される燃料の流量を制御するこれらの一般に採用される方法は、追加の制御弁及び配管、並びにそれらの弁を制御するための複雑な論理を必要とし、計器又は弁の故障を招きやすい。従って、システムの製造及び動作にかかる費用は著しく増加する。さらに、燃料圧力を必要最小圧力に設定するという一般的な実施方法では、特に、より多くの電力を生成しかつより多くの燃料流量を要求するような再積み重ね燃料電池ユニットがＭＣＦＣシステムに含まれる場合に、全負荷で動作しているＭＣＦＣシステムに供給される燃料が不十分になることが多い。従って、そのような実施方法はＭＣＦＣシステムの動作効率に影響を及ぼす。
【０００７】
従って、酸化触媒を介する過剰なメタンガスの漏れを有効に防止しかつＭＣＦＣシステムにおける望ましくない状態の発生を回避するシステムが必要とされる。特に、ＭＣＦＣシステムに供給される燃料の流量を正確かつより費用効率よく、障害が起こりにくいように制御する構体及び方法が必要とされる。さらに、ＭＣＦＣシステムの動作効率に悪影響を及ぼさないように燃料流量を制御する構体及び方法も望まれる。
【０００８】
従って、本発明の目的は、燃料電池システムの始動中又は加熱中に、システムのガスの望ましくない発火状態を回避するように燃料流量が制御されるように構成された燃料電池システムを提供することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、システムの動作効率を維持する態様で上記の燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下に開示される本発明の実施形態によれば、上記の目的及び他の目的は、燃料を受け取るように構成されたアノード及び酸化剤ガスを受け取るように構成されたカソードを有する燃料電池と、アノードの出力及び入力酸化剤を受け取り、酸化剤ガスをカソードへ出力するように構成されたアノード酸化構体と、第１の燃料流量制御部を含み、第１の流量以下である流量で燃料をアノードに供給するように構成された燃料供給構体と、少流量バイパス構体であって、燃料電池システムの第１の状態が発生した場合、燃料供給構体により供給される燃料の燃料流量を第１の流量より少ない第２の流量に制限するように、燃料供給構体により供給される燃料を第１の燃料流量制御部を迂回し、少流量バイパス構体を通過するように流通させる少流量バイパス構体とを具備する燃料電池システムにおいて実現される。さらに制御構体が設けられてもよく、制御構体は、バイパス動作を実現するために、システムの第１の状態を含む燃料電池システムに応答して燃料供給構体及び少流量バイパス構体を制御する。実施形態においては、バイパス動作を実行させる燃料電池システムの第１の状態は、アノード酸化構体における動作温度が所定の温度範囲内にある場合である。
【００１１】
いくつかの実施形態においては、燃料供給構体は供給ラインを含み、第１の燃料流量制御部は、供給ラインを通過する燃料フロー（流れ）のオン／オフを制御する燃料フローブロック弁により形成される。少流量バイパス構体は、燃料フローブロック弁の上流側で燃料供給ラインと結合された第１の端部及び燃料フローブロック弁の下流側で燃料供給ラインと結合された第２の端部を有するバイパスラインと、バイパスラインを通過する燃料の流量を制御する少流量バイパス制御部とを含む。少流量バイパス制御部は、バイパスラインを通過する燃料フローのオン／オフを制御する少流量バイパスブロック弁及びバイパスブロック弁に後続して燃料流量を第２の燃料流量に制限する流量制限部の形態をとってもよい。
【００１２】
酸化構体における温度が所定の温度範囲内である場合、燃料電池システムの制御構体は、燃料フローブロック弁を閉鎖し、少流量バイパスブロック弁を開放するように制御する。酸化構体における温度が所定の温度範囲の下限より低い場合、供給ラインに燃料は送出されない。酸化構体における温度が所定の温度範囲内にある場合、制御構体は、少流量バイパスブロック弁を開放し、燃料フローブロック弁を閉鎖するように制御する。酸化構体における温度が所定の温度範囲の上限を超えた場合には、制御構体は少流量バイパスブロック弁を閉鎖し、燃料フローブロック弁を開放するように制御する。いくつかの実施形態においては、酸化構体は、酸化構体により受け取られるアノード出力及び入力酸化剤を酸化するための酸化触媒を含む。そのような実施形態においては、酸化触媒の温度が所定の温度範囲内にある場合、制御構体は燃料フローブロック弁を閉鎖し、少流量バイパスブロック弁を開放するように制御する。
【００１３】
いくつかの実施形態においては、燃料電池システムは、第１の燃料制御部の下流側に、燃料をあらかじめ選択された温度まで加熱する加熱装置をさらに含む。加熱装置は供給ラインから燃料を受け取り、加熱された燃料を出力する。燃料電池システムは、加熱装置の下流側に、加熱装置から出力された加熱燃料を処理しかつ処理済み燃料を燃料電池のアノードに対して出力する燃料処理構体をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態においては、燃料電池システムは加熱バイパス構体をさらに含む。加熱バイパス構体は、燃料電池システムの第２の状態及び第３の状態のうち１つ以上が発生した場合、燃料供給構体により供給される燃料を燃料フローブロック弁及び加熱装置を迂回し、燃料電池に供給されるように流通させる。制御構体は燃料電池システムの第２の状態及び第３の状態にも応答し、燃料供給構体及び少流量バイパス構体を制御するのに加えて、加熱バイパス構体を制御する。開示される実施形態においては、酸化構体における温度が所定の温度範囲を超えた場合（所定の温度範囲の上限より高い場合）、すなわち第２の状態の場合、及び燃料電池が所定の出力レベルを超える出力レベルで動作している場合、すなわち第３の状態の場合、制御構体は加熱バイパス構体にバイパス動作を実行させるように制御する。
【００１４】
加熱バイパス構体は、燃料フローブロック弁の上流側で供給ラインと結合された第１の端部及び加熱装置の下流側、処理構体（処理構体が使用される場合）の上流側で別の供給ラインと結合された第２の端部を有する加熱バイパスラインと、加熱バイパスラインを通過するオン／オフ燃料フローを制御する加熱バイパスブロック弁の形態をとる加熱バイパス制御部とを具備する。特に、酸化構体における温度が所定の温度範囲内にある場合（第１の状態）、制御構体は、少流量バイパスブロック弁を開放させ、燃料フローブロック弁及び加熱バイパスブロック弁を閉鎖させるように制御し、酸化構体における温度が所定の温度範囲の上限を超えた場合（第２の状態）及び燃料電池システムが所定の出力レベルを超える出力レベルで動作している場合（第３の状態）、制御構体は、加熱バイパスブロック弁を開放し、少流量バイパスブロック弁を閉鎖するように制御する。本明細書中で開示される実施形態においては、使用される所定の温度範囲、第１の流量、第２の流量及び所定の出力レベルは、溶融炭酸塩燃料電池の典型的なパラメータである。すなわち、所定の温度範囲は約７００〜１，０００°Ｆであり、第１の流量は約５５ｓｃｆｍ以下であり、第２の流量は約４ｓｃｆｍ以下であり、所定の出力レベルは約４５ｋＷである。上記の燃料電池システムを動作させる方法も説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、少流量バイパスアセンブリ（構体）１０１を採用する燃料電池システム１００を示す。燃料電池システム１００は、燃料供給源１０２からシステム１００に気体又は他の形態をとる燃料を供給する燃料入口１０２ａと、イオウを含有する化合物などの種々の汚染物質を燃料から除去する燃料浄化構体１０４と、燃料ガスを処理する燃料処理構体１０８と、アノード１１２及びカソード１１４を具備する燃料電池１１０とをさらに含む。燃料浄化構体１０４は、汚染物質を除去するための複数の装置を含んでもよいことが理解されよう。汚染物質除去装置は１つ以上の脱硫装置を含むが、それには限定されない。同様に、燃料処理構体１０８は、燃料ガスがアノード１１２に入る前に燃料ガスを処理するための複数の装置を含んでもよい。処理装置は１つ以上の改質装置を含むが、それには限定されない。図１に示される実施形態の構成においては、燃料電池システム１００は、燃料浄化構体１０４の下流側に、燃料が燃料処理構体１０８に供給される前に燃料を所望の温度まで予熱する加熱装置１０６をさらに含む。
【００１６】
本発明のいくつかの形態及び本明細書中で説明される本発明の実施形態においては、燃料電池１１０は、通常は１，２００°Ｆの温度で動作する溶融炭酸塩燃料電池である。しかし、燃料電池１１０は他の任意の種類の燃料電池であってもよい。例えば、燃料電池１１０は高温固体酸化物燃料電池であってもよい。
【００１７】
図示されるように、燃料入口１０２ａは接続ライン１０３により燃料浄化構体１０４の入口１０４ａと結合され、燃料浄化構体１０４の出口１０４ｂは、燃料供給ラインとも呼ばれる接続ライン１０５により予熱装置１０６の入口１０６aと結合される。接続ライン１０５には、接続ライン１０５を通過する燃料フローのオン／オフを制御する燃料フローブロック弁として形成された第１の燃料流量制御部と、第１の弁１２０の上流側にあり、供給ラインにおける燃料の流量を制御する可変燃料流量制御弁１１８の形態をとる第２の燃料流量制御部とが配置される。ソレノイド弁は、燃料フローブロック弁１２０として使用するのに適している。
【００１８】
同様に図示されるように、加熱装置１０６は、供給ライン１０５を介し、入口１０６ａを経て燃料を受け取り、水供給源１３８から接続ライン１３７を介して水を受け取る。加熱装置１０６においては、燃料は水供給源１３８からの水と混合され、あらかじめ選択された所望の温度まで加熱される。加熱装置１０６の出口１０６ｂは、接続ライン１０７により燃料処理構体１０８の入口１０８ａと結合され、燃料処理構体１０８の出口１０８ｂは、接続ライン１０９によりアノード１１２の入口１１２ａと結合される。
【００１９】
図１にさらに示されるように、アノード入口１１２ａを介してアノード１１２に入力された燃料は、燃料電池１１０においてカソード１１４に入力された酸化剤ガスと反応し、未反応燃料を含むアノード排気ガスはアノード出口１１２ｂを介してアノード排気酸化構体１３０に供給される。アノード排気酸化構体１３０は、酸素を含む入力酸化剤ガスを空気供給源１３２から供給ライン１３３を介してさらに受け取る。酸化構体１３０において、水素、メタンなどの炭化水素及び一酸化炭素を含むアノード排気ガスの未反応燃料成分は入力酸化剤ガスと混合され、酸化されて二酸化炭素と空気との混合物を生成する。
【００２０】
図示される構成においては、酸化構体１３０は酸化触媒１３１を含む。酸化触媒１３１は、未反応燃料成分と酸化剤ガスとの酸化反応を促進するために使用される。酸化構体１３０で生成された二酸化炭素と空気との混合物は、燃料電池のカソード１１４において酸化ガスとして使用するのに適し、図示されるように、酸化構体１３０の出口１３０ａは、カソード１１４の入口１１４ａと結合される。加熱された酸化剤排気ガスが排気口１４０へ搬送される前に加熱装置１０６を通過する燃料ガスを加熱するために使用されるように、カソードの出口１１４ｂは、接続ライン１３４を介して加熱装置１０６と結合可能である。いくつかの実施形態においては、酸化剤排気ガスの一部が酸化剤ガス供給源からの酸化剤ガスを補足するために使用されるように、カソードの出口１１４ｂは、接続ライン１３６を介して酸化構体１３０と結合される。消耗した酸化剤ガスの一部がライン１３６を介して酸化構体１３０へ搬送される構成においては、ライン１３６及び／又はライン１３４を介して搬送されるべき消耗酸化剤ガスを制御するために、弁又は可変速度送風機などの制御部が使用される。
【００２１】
次に、図１を参照して、少流量バイパス構体１０１をさらに詳細に説明する。図示されるように、少流量バイパス構体１０１は燃料供給ライン１０５と結合され、燃料の流量を所定の最大流量に制限するように、第１の燃料流量制御部又はブロック弁１２０を迂回させて燃料を供給するために使用される。本実施形態においては、少流量バイパス構体１０１はバイパスライン１２２と、バイパスラインを通過するフローのオン／オフを制御する少流量バイパスブロック弁１２４及びそれに後続してバイパスラインを通過する燃料の流量を制限する流量制限部１２６を含むように形成された少流量バイパス制御部と、コントローラ１２８とを含む。流量制限部１２６はオリフィス部材の形態であってもよく、流量が所定の流量を超えないようにバイパスライン１２２を通過する燃料の流量を制御するように構成される。図示されるように、バイパスライン１２２は、燃料流量制御弁１１８の下流側、燃料フローブロック弁１２０の上流側で燃料供給ライン１０５と結合された第１の端部１２２ａを含む。バイパスライン１２２の第２の端部１２２ｂは、燃料フローブロック弁１２０の下流側、加熱装置１０６の上流側で燃料供給ライン１０５と結合される。少流量バイパスブロック弁１２４は、バイパスライン１２２の流量制限部１２６の上流側に配置される。
【００２２】
以下にさらに詳細に説明されるように、少流量バイパス構体１０１の動作は、燃料の少ない流量が望まれる場合、少流量バイパスブロック弁１２４が開放されかつブロック弁１２０が閉鎖され、多い燃料流量が望まれる場合、少流量バイパスブロック弁１２４が閉鎖されかつブロック弁１２０が開放されるように、コントローラ１２８により制御される。本実施形態における少ない燃料流量は４ｓｃｆｍに制限され、３ｓｃｆｍ以下であるのが好ましい。多い燃料流量は３ｓｃｆｍ以上である。いくつかの実施形態の構成においては、少ない燃料流量は１．５〜３ｓｃｆｍであり、多い燃料流量は３〜５５ｓｃｆｍである。
【００２３】
燃料の少流量化は、アノード１１２及び酸化構体１３０における燃料の不完全な反応によってアノード酸化構体の排気ガス中に過剰な量の未反応燃料が存在し、その結果、発火する可能性があるガス混合物が生成されるのを防止する場合に望まれる。そのような状態は、通常、燃料電池１１０の動作温度、従って、アノード酸化構体１３０及びその触媒１３１の温度が所定の温度範囲内にある場合に起こる。所定の温度範囲の下限は、燃料が燃料供給ライン１０３に供給され始める温度（通常、溶融炭酸塩燃料電池システムの場合は約７００°Ｆ）であり、上限は、アノード酸化構体の排気が発火可能な状態を引起こす可能性のある量より少ない量の未反応燃料を含有するポイントまで燃料電池１１０並びにアノード酸化構体１３０及びその触媒１３１が動作している温度（通常、溶融炭酸塩燃料電池システムの場合は約１，０００°Ｆの温度）である。
【００２４】
酸化触媒１３１の温度、従ってアノード酸化構体１３０の温度、すなわち燃料電池１１０の温度は、触媒温度に応答する適切な温度センサ１５１により検出されてもよい。その場合、コントローラ１２８がこの温度に応答できるように、センサの出力端子はコントローラに結合される。
【００２５】
図１に示されるように、コントローラ１２８が燃料フローブロック弁１２０を閉鎖し、少流量バイパスブロック弁１２４を開放するように制御する場合、燃料は、ブロック弁１２０を迂回し少流量バイパス構体１０１を通過して流れるように搬送され、燃料流量は、構体１０１の流量制限部１２６及び可変制御弁１１８により制御される。本実施形態においては、少流量バイパス構体１０１の制限部１２６は、可変燃料流量制御弁１１８が完全に開放している場合、すなわち１００％開放している場合に燃料の流量を最大４ｓｃｆｍに制限するオリフィス部材である。燃料の流量を４ｓｃｆｍの最大流量に制限することにより、燃料電池のアノード１１２へ送出される燃料の量が制限され、その結果、アノード排気ガス中及びアノードガス酸化構体の排気ガス中に存在する未反応燃料の量が制限される。従って、少流量バイパス構体１０１の使用により、アノード排気からの過剰な未反応燃料を含有する発火性ガス混合物の形成が防止され、アノードへの燃料流量をより正確に制御できる。前述のように、少流量バイパス構体１０１及び制限部１２６が存在することにより、可変制御弁１１８を使用して燃料流量を１．５〜３ｓｃｆｍの範囲に正確に制御できる。
【００２６】
さらに、アノード酸化構体の排気中に発火性混合物が形成されないことを保証するために、十分な量の入力酸化剤ガスが酸化構体１３０に入力されることが必要である。特に、入力酸化剤ガスの供給は、酸化剤ガスが十分な流量で空気供給源１３２から酸化構体１３０に供給されるように制御される。酸化構体１３０に供給される酸化剤ガスの流量を制御するために、図１に示されるコントローラ１２８又は別個のコントローラ（図示せず）が採用されてもよい。別の実施形態においては、酸化剤ガスの流量は所定の酸化剤流量に事前設定されてもよい。例えば、生成される混合物が安全レベルのメタンを含有するように酸化構体１３０に供給されるアノード排気中の未反応燃料を希釈するためには、２００ｓｃｆｍ以上の所定の酸化剤流量で十分である。そのような場合、発火性の下限が４％であるとき、許容されるメタンの安全レベルは約２％である。
【００２７】
コントローラ１２８による図１の少流量バイパス構体１０１の動作の制御は、図２にさらに詳細に示される。図２に示されるように、第１のステップＳ１においては、コントローラ１２８は、燃料電池システム１００に燃料を供給すべきか否かを判定する。これは、センサ１５１からの信号によって、酸化触媒１３１の温度（従って、アノード酸化構体１３０及び燃料電池１１０の温度）が上記の所定の温度範囲の下限（溶融炭酸塩燃料電池システムの場合、約７００°Ｆ）に達したか否かを判定することにより実現される。第１のステップＳ１において、下限温度に到達しておらず、従って、燃料が供給されていないとコントローラ１２８が判定した場合、コントローラの動作は第２のステップＳ２へ進む。第２のステップＳ２においては、コントローラは、燃料フローブロック弁１２０及び少流量バイパスブロック弁１２４のうち少なくとも一方が開放されているか否かを判定する。燃料フローブロック弁１２０及び少流量バイパスブロック弁１２４のうち少なくとも一方が開放されているとコントローラ１２８が判定した場合、第３のステップＳ３において、コントローラ１２８は開放されている弁１２０及び／又は１２４の各々を閉鎖させ、それらの弁１２０及び／又は１２４の各々を閉鎖状態に維持し、その後、次のステップＳ３Ａにおいて加熱を継続する。燃料フローブロック弁１２０及び少流量バイパスブロック弁１２４のいずれも開放されていないとコントローラが判定した場合には、ステップＳ４において、コントローラ１２８は燃料フローブロック弁１２０及び少流量バイパスブロック弁１２４を閉鎖状態に維持し、その後、次のステップＳ４Ａにおいて加熱を継続する。
【００２８】
コントローラの動作の第１のステップＳ１を再度参照すると、ステップＳ１において、システムに燃料を供給すべきであるとコントローラ１２８が判定した場合には、コントローラの動作はステップＳ５へ進む。ステップＳ５においては、コントローラは、センサ１５１によって、酸化触媒１３１の温度（従って、酸化構体１３０及び燃料電池１１０の温度）が所定の温度範囲内にとどまっているか否か、すなわち温度が所定の温度範囲の上限（溶融炭酸塩燃料電池の場合、約１，０００°Ｆ）を超えたか否かを判定する。温度が所定の範囲内にある場合、アノード酸化構体の排気中に発火性燃料混合物が形成される可能性があり、少流量バイパス動作が必要である。温度が範囲を超えた場合には、発火性混合物を形成する可能性はなくなるので、少流量バイパス動作は不要である。
【００２９】
従って、ステップＳ５において、酸化触媒１３１の温度が所定の温度範囲の上限を超えていないと判定された場合、コントローラの動作はステップＳ６へ進む。ステップＳ６においては、コントローラ１２８は、燃料フローブロック弁１２０を閉鎖するか又はブロック弁１２０を閉鎖状態に維持し、少流量バイパスブロック弁１２４を開放するか又は少流量バイパスブロック弁１２４を開放状態に維持し、燃料流量制御弁１１８を開放するか又は燃料流量制御弁を開放状態に維持する。従って、システム１００に供給される燃料は、燃料フローブロック弁１２０ではなく少流量バイパス構体１０１を通って搬送される。動作中にバイパス流れが形成されると、ステップＳ６Ａにおいて、燃料電池への燃料供給動作が起こり、ステップＳ６Ｂにおいては、燃料電池の加熱が継続される。しかし、燃料流量は少流量バイパス構体１０１により、特に少流量バイパス構体１０１の流量制限部１２６により、例えば４ｓｃｆｍ以下の流量などの所定の流量に制限される。
【００３０】
これに対し、ステップＳ５において、酸化触媒の温度が所定の温度範囲の上限を超えたとコントローラが判定した場合には、コントローラはステップＳ７へ進む。ステップＳ７においては、コントローラ１２８は少流量バイパスブロック弁１２４を閉鎖させるか又は少流量バイパスブロック弁１２４を閉鎖状態に維持し、燃料ブロック弁１２０を開放させるか又はブロック弁１２０を開放状態に維持する。この動作は燃料が少流量バイパス構体１０１を通って流れるのを阻止し、ステップＳ７Ａにおいて、燃料は、燃料制御弁１１８の制御の下でブロック弁１２０を通り、続いてシステムのその他の部分を通って燃料電池まで発電のために供給される。
【００３１】
図３は、少流量バイパス構体２０１及び加熱バイパス構体２４１を採用する燃料電池システム２００の別の実施形態を示す。図３に示される燃料電池システム２００は、図１に示される燃料電池システム１００と同様の構成を有し、図１のシステム１００と同様の構成要素を含む。特に、燃料電池システム２００は、接続ライン２０３を介して燃料供給源２０２から燃料を受け取る燃料浄化装置２０４と、燃料供給ラインとも呼ばれる接続ライン２０５を介して燃料浄化装置２０４から燃料を受け取ると共に、接続ライン２３７を介して水供給源２３８から水を受け取り、燃料と水との混合物を所望の温度まで加熱するように構成された燃料加熱装置２０６と、接続ライン２０７を介して加熱装置２０６から燃料を受け取り、接続ライン２０９を介して処理済み燃料を燃料電池２１０のアノード２１２へ出力する燃料処理装置２０８とを含む。
【００３２】
図２の燃料電池システム２００は酸化構体２３０をさらに含む。酸化構体２３０は酸化触媒２３１を含み、燃料電池のアノードにより出力されたアノード排気ガスと空気供給源２３２からの入力酸化ガスとの混合物を酸化して、燃料電池２１０のカソード２１４において使用するのに適する酸化ガスを生成する。システム２００は、接続ライン２０５を通過するフローのオン／オフを制御する燃料フローブロック弁２２０として形成された第１の燃料流量制御部と、接続ライン２０５の燃料浄化装置２０４の下流側、ブロック弁２２０の上流側に配置された可変燃料流量制御弁２１８の形態をとる第２の燃料流量制御部と、少流量バイパス構体２０１とをさらに含む。少流量バイパス構体２０１は、バイパスライン２２２と、バイパスライン２２２を通過するフローのオン／オフを制御する少流量バイパスブロック弁２２４及びバイパスラインを通過する流量を制限する流量制限部２２６を含むように形成された少流量バイパス制御部と、可変燃料流量制御弁２１８、燃料フローブロック弁２２０及び少流量バイパス構体２０１の少流量バイパスブロック弁２２４の動作を制御するコントローラ２２８とを含む。
【００３３】
図示されるように、少流量バイパス構体のバイパスライン２２２は、可変燃料流量制御弁２１８の下流側、燃料フローブロック弁２２０の上流側で燃料供給ライン２０５と結合された第１の端部２２２ａと、燃料フローブロック弁２２０の下流側、加熱装置２０６の上流側で燃料供給ライン２０５と結合された第２の端部２２２ｂとを含む。また、少流量バイパス構体の燃料流量制限部２２６は、バイパスライン２２２において少流量バイパスブロック弁２２４の下流側に配置される。
【００３４】
センサ２５１は酸化触媒２３１の温度、従ってアノード酸化構体２３０及び燃料電池２１０の温度をコントローラ２２８に報知する。図からわかるように、燃料電池システム２００のこれらの構成要素並びにその構成及び動作は、図１に示される燃料電池システム１００の構成要素と同様であるため、それらの構成要素及びその動作の詳細な説明は省略される。
【００３５】
図３に示される実施形態においては、燃料電池システム２００は燃料加熱バイパス構体２４１をさらに含む。燃料加熱バイパス構体２４１は、燃料電池システムが所定の状態で動作する場合に、燃料の一部又は全てに加熱装置２０６を迂回させる。図示されるように、加熱バイパス構体２４１は、可変燃料流量制御弁２１８の下流側、少流量バイパスライン２２２の第１の端部２２２ａの上流側で燃料供給ライン２０５と結合された第１の端部又は入口２４４ａと、加熱装置２０６の下流側、燃料処理装置２０８の上流側で燃料供給ライン２０７と結合された第２の端部又は出口２４４ｂとを有する加熱バイパスライン２４４を具備する。加熱バイパス構体２４１は、バイパスライン２４４を通るオン／オフ燃料フローを制御する加熱バイパスブロック弁２４２の形態をとる加熱バイパス制御部をさらに含む。図３に示されるように、加熱バイパスブロック弁２４２はバイパスライン２４４に配置され、燃料の一部又は全てが加熱バイパス構体２４１を通って搬送される場合に開放され、燃料の全てが燃料供給ライン２０５を通って加熱装置２０６へ搬送される場合又は少流量バイパス構体２０１を通って搬送される場合には閉鎖される。
【００３６】
燃料電池システム２００のコントローラ２２８は、少流量バイパス構体２０１、ブロック弁２２０及び可変弁２１８の動作を制御するのに加えて、加熱バイパス構体２４１をさらに制御する。前述のように、コントローラ２２８は、空気供給源２３２から酸化構体２３０への入力酸化剤ガスの供給をさらに制御してもよい。あるいは、いくつかの実施形態においては、酸化構体２３０への入力酸化剤ガスの十分な供給を確保するために、２００ｓｃｆｍなどの所定の酸化剤流量又は最小酸化剤流量をあらかじめ設定できる。
【００３７】
特に、加熱バイパスブロック弁２４２は、燃料が可変燃料制御弁２１８及び少流量バイパス構体２０１を通って搬送される場合に閉鎖されるように、コントローラ２２８により制御される。前述のように、これは、酸化触媒２３１の温度（従って、アノード酸化構体２３０及び燃料電池２１０の温度）が所定の温度範囲（同様に先に説明した通り、溶融炭酸塩燃料電池の場合、通常は約７００〜１，０００°Ｆ）内にある場合に起こる。１つ以上の他の所定の動作状態が起こるまで、加熱バイパスブロック弁２４２の閉鎖状態はコントローラ２１８により維持される。本実施形態においては、１つ以上の他の所定の状態は、アノード酸化触媒（従って、アノード酸化構体２３０及び燃料電池２１０）が所定の温度範囲の上限（上記の温度範囲の場合、約１，０００°）を超える温度で動作している状態及び燃料電池２１０が所定の出力レベル（例えば、通常の動作出力レベルが約３００ｋＷである溶融炭酸塩燃料電池の場合には４５ｋＷ）を超える出力レベルで動作している状態を含む。燃料電池２１０の出力レベルは、例えば、燃料電池２１０の線路２７１における電流及び電圧出力をコントローラ２２８に直接報知するか、出力調整及び／又は変換機器（図示せず）を通過した後にコントローラ２２８に報知するか、あるいはその線路又は機器を監視する出力電力検出器２７２を介してコントローラ２２８に報知することにより判定される。
【００３８】
従って、酸化構体２３０の酸化触媒の温度が所定の温度範囲の上限を超えた場合及び燃料電池２１０が所定の出力レベルを超える出力レベルで動作する場合、燃料の一部又は全てが加熱装置２０６を迂回し加熱バイパスライン２４４を通って搬送されるように、コントローラ２２８は少流量バイパスブロック弁２２４を閉鎖するか又は閉鎖状態に維持するように制御し、加熱バイパスブロック弁２４２を開放するように制御する。通常、燃料の一部のみが加熱装置２０６をバイパスするように、第１の燃料フローブロック弁２２０は開放されるか又は開放状態に維持される。尚、装置の特定の燃料組成に合わせて燃料処理装置に供給される燃料の温度を最適にするために、バイパスの量は、通常、装置が最初に設置される際に手動弁（図示せず）により設定される。燃料を加熱装置２０６において予熱することなく、燃料の一部又は全てを燃料処理構体２０８に直接供給することにより、燃料電池２１０の高出力動作中に燃料の温度をより正確に制御できる。
【００３９】
少流量バイパス構体２０１及び加熱バイパス構体２４１の動作及びコントローラ２２８による制御は、図４にさらに詳細に示される。図４に示されるように、コントローラ２２８は、可変燃料流量制御弁２１８、燃料フローブロック弁２２０、少流量バイパスブロック弁２２４及び加熱バイパスブロック弁２４２の開閉を制御する。コントローラ２２８の動作は、第１のステップＳ１１において、燃料供給源からの燃料の流れを開始すべきか否かを判定することによって始まる。特に、第１のステップＳ１１において、コントローラ２２８は、燃料フローが開始されるポイントである所定の温度範囲の下限まで酸化触媒２３１（従って、酸化触媒構体２３０及び燃料電池２１０）が加熱されたか否かを判定する。ステップＳ１１において、この加熱状態が起こっておらず、燃料フローが行われていないとコントローラ２２８が判定した場合、コントローラ２２８は、ステップＳ１２において、燃料フローブロック弁２２０、少流量バイパスブロック弁２２４及び加熱バイパスブロック弁２４２のうち少なくとも１つが開放しているか否かを判定する。Ｓ１２において、弁２２０、２２４及び２４２のうち少なくとも１つが開放していると判定された場合、コントローラ２２８はステップＳ１３へ進み、開放している弁を閉鎖させ、ステップＳ１３Ａにおいて加熱処理を継続する。しかし、ステップＳ１２において、弁２２０、２２４及び２４２の全てが閉鎖されていると判定された場合には、ステップＳ１４において、コントローラ２２８はそれらの弁を閉鎖状態に維持し、次に、ステップＳ１４Ａにおいて加熱処理を継続する。
【００４０】
ステップＳ１１を再度参照すると、Ｓ１１において、システム２００への燃料フローが行われているとコントローラ２２８が判定した場合には、コントローラ２２８の動作はステップＳ１５へ進む。ステップＳ１５においては、コントローラは、酸化触媒２３１の温度（従って、アノード酸化構体２３０及び燃料電池２１０の温度）が所定の温度範囲内にあるか否か、すなわち温度がこの範囲の上限を超えたか否かを判定する。ステップＳ１５において、酸化触媒２３１の温度が所定の温度範囲の上限を超えていないと判定された場合、コントローラ２２８の動作はステップＳ１６へ進む。ステップＳ１６においては、コントローラ２２８は少流量バイパスブロック弁２２４を開放させるか又は少流量バイパスブロック弁２２４を開放状態に維持し、燃料流量制御ブロック弁２２０及び加熱バイパスブロック弁２４２を閉鎖させかつ／又はブロック弁２２０及び／又は加熱バイパスブロック弁２４２を閉鎖状態に維持する。ステップＳ１６を実行することにより、コントローラ２２８は少流量バイパス構体２０１を通して、すなわち、少流量バイパスライン２２２に沿って少流量バイパスブロック弁２２４を通過し、燃料フローブロック弁２２０を迂回するように燃料を搬送させる。従って、ステップＳ１６におけるコントローラ２２８の動作は、図１のシステムの場合と同様に、可変燃料流量制御弁２１８を通過する燃料の燃料流量を制限部２１６により判定された所定の流量に制限する。
【００４１】
ステップＳ１５を再度参照すると、ステップＳ１５において、酸化触媒２３１の温度が所定の温度範囲の上限を超えたとコントローラ２２８が判定した場合には、ステップＳ１７において、燃料が少流量バイパス構体２０１を通過できないように、コントローラ２２８は少流量バイパスブロック弁２２４を閉鎖するか又は弁２２４を閉鎖状態に維持する。同時に、燃料が継続して燃料電池に供給されるように、第１の燃料フローブロック弁２２０は開放されるか又は開放状態に維持される。次に、ステップＳ１７Ａにおいて、コントローラ２２８の制御動作は燃料供給動作及び発電を継続する。ステップＳ１８において、コントローラは、燃料電池２１０が所定の出力レベルを超える出力レベルで動作しているか否かを判定する。ステップＳ１８において、出力レベルが所定の出力レベル値以下であるとコントローラが判定した場合、コントローラ２２８はステップＳ１９へ進む。ステップＳ１９においては、コントローラは加熱バイパスブロック弁２４２を閉鎖するか又は弁２４２を閉鎖状態に維持し、少流量バイパスブロック弁２２４を閉鎖状態に維持し、燃料フローブロック弁２２０を開放するか又は燃料フローブロック弁２２０を開放状態に維持する。その結果、燃料は、燃料供給ライン２０５に沿って加熱装置２０６に供給され、加熱バイパス構体２４１又は少流量バイパス構体２０１を通過しない。しかし、ステップＳ１８において、出力レベルが所定の出力レベルを超えており、それにより、燃料電池の高出力動作が起こっているとコントローラ２２８が判定した場合には、コントローラの動作はステップＳ２０へ進む。ステップＳ２０においては、コントローラは燃料フローブロック弁２２０を開放状態に維持し、少流量バイパスブロック弁２２４を閉鎖状態に維持し、加熱バイパスブロック弁２４２を開放するか、又は弁２４２を開放状態に維持する。ステップＳ２０におけるコントローラの動作は、加熱バイパスライン２４４を介し、加熱バイパス構体２４１の加熱バイパスブロック弁２４２を介して燃料の一部又は全てを搬送させ、それにより燃料加熱装置２０６をバイパスさせる。
【００４２】
図３に示される燃料電池システム２００及び図４に示されるその動作は、少流量バイパス構体２０１を採用することにより、アノード排気ガス中の発火性燃料混合物の形成を回避するように燃料流量を正確に制御できる。さらに、図３の燃料電池システム２００及び図４に示されるその動作は、加熱バイパス構体２４１を採用することにより、高出力レベルにおいて燃料処理構体２０８に流入する燃料の温度を精密に制御できる。
【００４３】
尚、図１及び図３の実施形態において使用されるコントローラ１２８及び２２８は、ＧＥにより製造された従来の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。それらの実施形態に使用される制御プログラムは、産業オートメーションのためのＧＥ ＰＬＣにおいて実現可能な同様にＧＥ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。
【００４４】
あらゆる場合において、上述した構成は、本発明の適用用途を表す数多くの可能な特定の実施形態を例示しているにすぎないことが理解される。例えば、上述したようにコントローラ１２８又は２２８、あるいは図１及び図３に示されない別個のコントローラが、発火する可能性がある混合物の形成を回避するように十分な酸化剤ガスを供給する目的で、酸化構体１３０、２３０への入力酸化剤ガスの供給を制御するために採用されてもよい。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。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
本発明の上記の特徴及び面並びにその他の特徴及び面は、添付の図面と関連させて以下の詳細な説明を読むことによりさらに明らかになるであろう。
【図１】図１は、少流量バイパス構体を採用するＭＣＦＣシステムを示す図である。
【図２】図２は、図１のＭＣＦＣシステムを制御するための論理動作を示すフローチャートである。
【図３】図３は、少流量バイパス構体及び加熱バイパス構体を採用するＭＣＦＣシステムの別の実施形態を示す図である。
【図４】図４は、図３のＭＣＦＣシステムを制御するための論理動作を示すフローチャートである。
【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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