(57)【要約】  出力ライン８，９を持つ燃料電池スタック７が、出力ライン両端に直接、あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ２２を介して接続された、スーパーキャパシタ１０もしくはバッテリ１０ａのバンクを有する。燃料電池スタックは改質器１３もしくは水素源１３ａのいずれかから燃料を受け入れる。電力はパワーコンディショニングシステム１５を通して負荷１６へと供給され、すべてコントローラ１９の制御下にある。スーパーキャパシタもしくはバッテリは、突発的な負荷減少の際には過剰電力から余剰の電荷を受け入れ、また突発的な負荷需要の増加の際には電力出力ライン８，９に電荷を供給する。一実施例では、スーパーキャパシタもしくはバッテリの電圧が常に燃料電池スタックの電圧に追従し、これにより対応する電荷を供給、受入する。ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることにより、スーパーキャパシタもしくはバッテリは燃料電池スタック電圧の数倍もしくは分数倍の電圧で作動し、過渡状態への応答を補助するように電圧を急上昇しうる。
2007511891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力出力ライン（８，９）を有し、この出力ラインが、（ａ）負荷（１６）もしくは（ｂ）負荷を供給するパワーコンディショニングシステム（１５）のいずれかに接続された燃料電池スタック（７）と、
前記燃料電池スタックに接続された燃料源（１３，１４）と、
前記燃料電池スタックへの供給燃料を制御するコントローラ（１９）と、
よりなる燃料電池発電装置（６）であって、
（ｃ）前記燃料電池スタックと並列に、前記電力出力ライン間に直接接続されることにより、前記燃料電池スタックの電圧が、常に前記電力出力ライン間の電圧に追従し、実質的に常に前記電力出力ライン間の電圧と同じ電圧となる電気エネルギー蓄電装置（１０）もしくは、
（ｄ）前記電力出力ライン間に、ＤＣ／ＤＣコンバータ（２２）と直列に接続されている電気エネルギー蓄電装置（１０）
のいずれかを備えていることを特徴とする燃料電池発電装置（６）。
【請求項２】
前記エネルギー蓄電装置が、一つあるいは複数のスーパーキャパシタ（１０）であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記エネルギー蓄電装置が、一つあるいは複数のバッテリ（１０Ａ）であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
電力出力ライン（８，９）を備えた燃料電池スタック（７）を有し、負荷（１６）に電力を供給する燃料電池発電装置（６）であって、
前記燃料電池スタックと連結された電気エネルギー蓄電装置（１０）を備えるとともに、
前記電気エネルギー蓄電装置に、常に前記電力出力ライン間の電圧の（ａ）実質的に数倍、もしくは（ｂ）実質的に分数倍のいずれかの電圧を提供する手段（２２）と、
前記負荷に関連した電圧に応答して、前記電気エネルギー蓄電装置に供給される電圧を制御する手段（１９）と、
を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置（６）。
【請求項５】
負荷（１６）に電力を供給する電力出力ライン（８，９）を備えた燃料電池スタック（７）と、前記燃料電池スタックと連結された電気エネルギー蓄電装置（１０）と、を有する燃料電池発電装置（６）を運転する方法であって、
前記電気エネルギー蓄電装置に、常に前記電力出力ライン間の電圧の（ａ）実質的に数倍、もしくは（ｂ）実質的に分数倍のいずれかの電圧を供給し（２２）、
前記負荷に関連した電圧に応答して、前記電気エネルギー蓄電装置に供給される電圧を制御する（１９）ことを特徴とする方法。
【請求項６】
前記制御ステップが、前記蓄電装置の負荷過渡への応答を向上させるように、前記蓄電装置（１０）に供給される前記電圧を、（ｃ）前記数倍以上に増加させる、もしくは（ｄ）前記分数倍未満に減少させることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
負荷（１６）に電力を供給する電力出力ライン（８，９）を備えた燃料電池スタック（７）と、前記燃料電池スタックと連結された電気エネルギー蓄電装置（１０）と、を有する燃料電池発電装置（６）を運転する方法であって、
前記電気エネルギー蓄電装置を前記燃料電池スタックと並列に、前記電力出力ライン間に直接接続し、
前記電気エネルギー蓄電装置の電圧を、前記電力出力ライン両端の電圧に追従させ、これにより前記蓄電装置の電圧が常に前記電力出力ライン間の電圧に従い、実質的に常に前記電力出力ライン間の電圧と同じ電圧となることを特徴とする方法。
【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と並列に電気的に接続されたバッテリもしくはスーパーキャパシタのバンクを有する燃料電池発電装置に関し、負荷増加の過渡時にエネルギーを供給し、負荷減少の過渡時にエネルギーを吸収するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックアセンブリの通常作動中、突発的な負荷の増加が起こったとき、燃料電池スタックアセンブリの要求された電力を供給する能力は、本質的には燃料流れ場における燃料滞留量と相関する。燃料流れ場が、燃料電池膜により多くの燃料が接するように設計されれば、燃料電池スタックアセンブリはより高い負荷増加過渡的応答能力を持つ。しかしながら、燃料流れ場に増加分の燃料を供給することは、チャネル間のリブを薄くするという犠牲を払って燃料チャネルを大きくすることを必要とし、これにより燃料電池スタックの強度は下がり、組み立ておよびその他の取り扱い中の燃料電池クラッキングの原因となりうる。一方、各々の燃料電池の容積をより大型化することは、燃料電池発電装置が電気自動車に電気を供給するといった、自動車への応用には通常不適切である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
９０％以上のオーダの、最大燃料利用率を達成するために、燃料リサイクルが用いられうる。このような場合、燃料流れ場に余剰の水素滞留がないことが不可欠である。したがって、システム効率向上のための燃料リサイクルの使用は、負荷増加過渡応答能力の縮小といった犠牲を伴う。
【０００４】
通常作動中の燃料電池発電装置は突発的な負荷減少をこうむることがある。バルブやソレノイドを含む燃料処理システムは、こうした需要負荷減少に対する応答が遅れるため、燃料電池スタック内では多量の余剰水素が消費されていない。余剰水素はある種類の下流燃焼器に流入することがある。負荷減少過渡状態下の燃焼器への供給水素量は、通常燃焼器が対応しうる水素量の数倍に達しうる。装置にダメージをもたらすことなく、余剰水素を消費できるようにするために、容積や燃焼能力を増加しなければならないが、これは燃料電池発電装置全体の容積とコストを増加させうる。もし余剰の水素を単に排出するだけならば、水素を１パーセント以下に希釈するなど、安全に対処されなければならない。これは燃料処理システム全体の換気能力の増加を必要とする。燃料制御応答率に対するより厳格な制御は余剰水素の問題を緩和しうるが、決して問題を全体的に排除することはできず、燃料電池システムに多大な経費を計上することになる。
【０００５】
突発的な負荷減少に起因する余剰燃料の問題は米国特許第６，５７２，９９３号に参照されている。しかしながら、この特許のシステムは、バッテリパックや複数のキャパシタもしくは複数のスーパーキャパシタのような蓄電装置を、８０％といった、最大充電レベルにおける所定の割合の、ほぼ一律のレベルで稼動している。突発的な負荷減少に応じて、エネルギー蓄電装置は燃料電池によって生み出された余剰のエネルギーを、アノードに入る燃料量がエネルギー蓄電装置の必要とされないレベルを下回るまで吸収する。その時点で、エネルギー蓄電装置は元の所定のレベルに戻るように余剰のエネルギーを放出する。負荷が以前の通常レベルに戻ると、エネルギー蓄電装置は所望の電力出力レベルを維持するために余剰のエネルギーを供給する。より多くの燃料がアノードに供給されるにつれ、電力およびエネルギー蓄電装置の蓄電レベルは通常のレベルに戻りうる。
【０００６】
したがって、前記の特許は、定常状態が最優先されるシステムを有し、負荷の過渡的な下降には、エネルギー蓄電装置が、余剰のエネルギーを吸収し、その後放出するよう制御され、過渡状態の終わりには余剰のエネルギーを供給し、その後もとの所定のレベルに戻ることにより対応している。
【０００７】
キャパシタあるいはスーパーキャパシタが蓄電装置として使用される場合には、電荷は電圧と電気容量との積に等しいものであり、電荷は常に最大充電量の８０％といった、一定の割合に設定されているため、前記特許のシステムは他の一切によらず、常に一定した、特定の、所定の電圧に設定されている。バッテリが用いられる場合には、任意の電荷レベルにおいて電圧は一定している。
【０００８】
前述のシステムは、電力を電気自動車に供給する燃料電池発電装置のような、要求が常に著しく変化する燃料電池発電装置の最新の応用分野の需要を満たさない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、突発的な負荷の増加や減少に即座に対応しうる燃料電池発電装置と、燃料電池構造を弱体化させることなく、突発的な負荷の減少に対応する燃料電池スタックの向上された能力と、炭化水素燃料を燃料電池燃料として使用する水素へと転換し、緩やかに応答するセンサやバルブを利用しうる改質器の提供と、燃料電池スタック内の水素の費用効果の高い生産、利用と、改質器や燃料電池スタックにより炭化水素燃料を電気に変換する改善された装置と、を含む。
【００１０】
本発明は、適切な装置や作動方法が用いられることを条件として、広く変動する負荷への対応に必要な水素量の調節のみならず、必要なパワーコンディショニングの調節も即座に行われる必要はないが、代わりに燃料電池出力で、即座に電気的に吸収されうることの実現を前提としている。
【００１１】
本発明に従い、燃料電池発電装置の電気出力が、電圧変換との積極的な制御スイッチングを通して、あるいは、直接的かつ受動的に、スーパーキャパシタもしくはバッテリのバンクのような蓄電装置により制御される。スーパーキャパシタもしくはバッテリのバンクは、燃料電池スタックと、負荷を供給する出力パワーコンディショニングシステムとの間に接続される。
【００１２】
本発明の一形態に従い、蓄電バンクが燃料電池スタックの電気出力の両端に直接接続され、蓄電装置の電圧が燃料電池スタックの電圧出力に、制御を介さず常に、完全に従うことができるようになっている。これにより蓄電装置が、蓄電装置の電圧を燃料電池スタックの電圧と実質的に同一に、ごくわずかの取るに足らないほどの遅れでもって維持するように、必要に応じて自動的に電荷を供給、受入する。
【００１３】
本発明の別の一形態に従い、スーパーキャパシタもしくはバッテリのバンクのような蓄電装置の電圧が、再生式ＤＣ／ＤＣコンバータにより燃料電池スタックの電圧から分離されている。
【００１４】
燃料電池スタックの電力側の電力不足や余剰に対処することにより、燃料電池スタックへの水素の生産や利用を、コストの増加や、装置の危機的状況、大気汚染などなく、電力負荷過渡状態よりもずっとゆっくりと調整することができ、グリッドや他の負荷を給電する電力変換装置を、より少ない制約の、低コストのよりよい効率、小さい範囲で稼動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に従い、図１を参照すると、燃料電池発電装置６は、スーパーキャパシタバンク１０のような蓄電装置とともに電力出力ライン８，９を有する燃料電池スタック７を含み、このスーパーキャパシタバンク１０が、燃料電池スタック７と並列に出力ライン８，９間に直接接続されている。本実施例では、燃料電池スタック７は、燃料源１４からの炭化水素燃料を転換する改質器１３から通路１１を通して水素含有燃料を供給されており、この燃料源１４は例えば、２００３年２月１８日に出願された同時係属中の米国特許出願番号１０／３６９，３５９に開示されているような触媒部分酸化改質器システム、あるいは無害の水素高含有燃料を燃料電池スタックへ供給するのに適した他の改質器でもよい。
【００１６】
出力ライン８，９の電力が、電力を負荷１６に供給する、通常のパワーコンディショニングシステム１５によって用途に応じて制御されており、この負荷１６は、グリッド、電気自動車モータ、あるいは他のあらゆる負荷でもよい。本文で用いられているように、用語「Ａｌｏａｄ＠」は、負荷１６、もしくはパワーコンディショニングシステム１５と負荷１６を意味しうる。燃料電池スタック７と並列にスーパーキャパシタバンク１０を用いることにより、負荷１６が減少すると、コントローラ１９が燃料の燃料供給源１４への供給を減少させる。しかしながら、燃料電池スタックや燃料供給システムには余剰の水素が存在する。負荷１６が減少するにつれ、電力出力ライン８，９の電圧は増加する。これによりスーパーキャパシタの電圧を増加させ、電荷を増やす。スーパーキャパシタへの電荷の増加が余剰の水素からの過剰な電力を消費し、燃料電池スタック排気システム換気やバーナ（図示せず）の負担を軽減する。
【００１７】
負荷１６が増加すると、コントローラ１９は、他の調節に加えて、通常の方法で燃料吸入バルブを開けることにより燃料の燃料電池スタックへの供給を増加させ、改質器の吸入バルブを開けることにより炭化水素燃料の改質器への供給を増加させる。しかしながら、燃料量を新たに必要なレベルに増量できる前は、燃料電池スタックは負荷に対処するように適切に稼動しない。燃料電池スタックによって供給される電流レベルの増加により、平均電池電圧は低下し、スーパーキャパシタバンク１０の電圧を低下させ、電荷をスーパーキャパシタバンクから流出させ、これによりパワーコンディショニングシステム１５へと電流を供給する。したがって、スーパーキャパシタバンク１０は、燃料電池トラック７の電力出力と直接並列に接続されることにより、受動的、かつ自動的に制御される。本発明により、燃料電池スタック電気出力８，９の電圧のみに応じて、負荷１６の電力需要をみたすように、スーパーキャパシタバンク１０からパワーコンディショニングシステム１５へと電流が流れる。
【００１８】
コントローラ１９は最終的に、改質器１３により生産される水素量と、通路１１より燃料電池スタック７のアノードへ取り込まれる水素高含有燃料量を増量させる。これにより、スーパーキャパシタバンク１０は、本発明により、単にライン８，９の燃料電池スタック出力電圧に常に追従し、これにより負荷に関する燃料平衡の過渡、回復のあらゆる段階における、あらゆる負荷の変動に継続して応答することができる。図１の実施例では、この応答が受動的に行われているが、これはスーパーキャパシタバンクが燃料電池スタック７の出力ライン８，９間に、いかなる制御の介在なく、直接並列に接続されているためである。したがって、本発明の実施例では、スーパーキャパシタバンクの電荷レベルを回復させるいかなる制御もいかなる形式において一切必要なく、自動的に受動的に行われる。
【００１９】
図１の実施例では、スーパーキャパシタバンク１０は受動的であり、すなわち、スーパーキャパシタバンクは、単にライン８，９の電圧がスーパーキャパシタバンクの電圧より高いか低いかに依存して電荷を受け入れたり放出したりする。スーパーキャパシタバンクは常に燃料電池スタックの電圧に従うため、実際の過渡状態の間を除き、常に燃料電池スタックの電圧となり、したがってスーパーキャパシタバンクは、電荷を受け入れることにより高い電圧に、あるいは電荷を放出することにより低い電圧に、それぞれ応答する準備が整っている。
【００２０】
本発明の任意の実施に適合される必要に応じて、図２に示すように、スーパーキャパシタバンクの充電放電機能を、通常の再生型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２により拡張することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータは、過渡状態が極端に急速で大きく、スーパーキャパシタバンクの電圧が負荷を増加させるのに十分高くない状況や、同様に、かなり低い電圧への電圧変化が大きいためにスーパーキャパシタバンクがより高い電圧に上昇しない限り電荷を受け入れないような状況において最も有利である。コンバータ２２の使用によりさらに大きなエネルギーの除去（すなわち、より深い放電）を可能にする。
【００２１】
図２の実施例では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を利用することにより、スーパーキャパシタバンク１０は、例えば、実質的にライン８，９の燃料電池スタック電圧とは異なる電圧で作動しうる。例としては、通常作動中、燃料電池スタックが約２５０ボルトＤＣから約４５０ボルトＤＣの範囲の電圧で作動する一方、スーパーキャパシタバンク１０は数百ボルトに達する電圧の範囲で作動しうる。図２の実施例では、ＤＣ／ＤＣコンバータが電圧を燃料電池スタック電圧の数倍あるいは分数倍の電圧に変換できるだけでなく、より多くの電荷（より増加した電流）をスーパーキャパシタバンクから放出させるために、コントローラが、スーパーキャパシタバンクの隣のコンバータ側の電圧を、燃料電池スタックライン８，９両端の電圧低下を数倍以上に拡大して低下させることにより、極端に鋭い過渡状態に応答して急激に電圧を上昇させることができる。
【００２２】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の蓄電装置側の電圧は概して燃料電池スタック電圧の分数倍となる。コントローラ１９はＤＣ／ＤＣコンバータを、ライン８，９間の電圧のような負荷に関する電圧、負荷１６の電圧、もしくはスタック７内部のサブスタック電圧（例えば電池の集合体の電圧）のいずれかに応答して制御しうる。
【００２３】
図３はまた、水素源が、改質器１３を用いる代わりに、水素タンク１３ａである例を示している。
【００２４】
本実施例では、通常のパワーコンディショニングシステム１５が燃料電池スタック７から出力ライン８，９を通して電力を受け取り、負荷１６へ電力を供給している。パワーコンディショニングシステムを必要としないあるシステムでは、本発明が負荷１６を直接運転するように活用されうる。
【００２５】
図４は電気エネルギー蓄電装置がバッテリのバンク１０Ａを含みうることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】改質器により炭化水素燃料から転換された燃料を受ける燃料電池発電装置を示す簡略ブロック図。
【図２】ＤＣ／ＤＣコンバータを含む、図１のシステムの変形例を示す簡略概要ブロック図。
【図３】燃料電池スタック燃料が水素タンクのような水素源を用いた、図２の配置の変形例を示す概略図。
【図４】蓄電装置がバッテリでもよいことを示す図２の装置の部分的な概略図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年12月22日(2005.12.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷（１６）に電力を供給する電力出力ライン（８，９）を備えた燃料電池スタック（７）と、前記燃料電池スタックと連結された電気エネルギー蓄電装置（１０）と、を有する燃料電池発電装置（６）を運転する方法であって、
前記電気エネルギー蓄電装置に、常に前記電力出力ライン間の電圧の（ａ）実質的に数倍、もしくは（ｂ）実質的に分数倍のいずれかの電圧を供給し（２２）、
前記負荷に関連した電圧に応答して、前記蓄電装置の負荷過渡への応答を向上させるように、前記蓄電装置（１０）に供給される前記電圧を、（ｃ）前記数倍以上に増加させる、もしくは（ｄ）前記分数倍未満に減少させることにより、前記電気エネルギー蓄電装置に供給される電圧を制御する（１９）ことを特徴とする方法。
【国際調査報告】
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