(57)【要約】  本発明は、負荷追従型固体酸化物形燃料電池システムを、該システム内の燃料電池が受忍可能な電気化学反応効率の範囲内で動作するように制御することに関する。前記システムはコントローラを有し、該コントローラは、燃料電池スタックへの負荷の変化を検出するべくプログラムされ、該負荷が減少するとき、前記スタックが前記減少した負荷に対応する受忍可能な電気化学反応効率の範囲内で動作するように、前記スタックへの燃料流速を減少させるか、あるいは、前記スタック内の１個または２個以上の燃料電池を脱活性化する。そして前記負荷が増大するとき、前記コントローラは、前記スタックが受忍可能な電気化学反応効率の範囲内で作動するように、前記スタックへの燃料流速を増大させるか、前記スタック内の燃料電池を活性化する。【選択図】図１
2007509470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）固体酸化物形燃料電池スタックの負荷を決定するステップと、
（ｂ）前記負荷を満足させるために選択された動作効率で電力を供給するのに十分な数の燃料電池サブスタックを活性化させるステップと、
（ｃ）少なくとも１個のサブスタックから排出される未反応燃料を燃焼させて、加熱された不活性サブスタックを待機温度で維持することによって、前記スタック内の少なくとも１個の不活性サブスタックを加熱するステップとを含む、固体酸化物形燃料電池スタックの動作制御方法。
【請求項２】
前記サブスタックを活性化させるステップは、前記活性化サブスタックを選択された動作温度まで加熱すること、及び、前記負荷を満足させる電力を供給するのに十分な燃料及び酸化剤を前記活性化サブスタックに供給することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記燃焼は加熱された各不活性サブスタック内で起こる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記活性化サブスタックを加熱することは、前記活性化サブスタックの燃料電池内での電気化学反応によって発熱させること、及び、前記活性化サブスタック内の未反応燃料を燃焼させることを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記未反応燃料を燃焼させるために必要な、活性化サブスタック及び加熱不活性サブスタックの数を決定すること、及びその後、活性化サブスタック及び加熱不活性サブスタック内で前記未反応燃料を全て燃焼させることを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記負荷を監視するステップと、負荷変動が検出されるときに、少なくとも１個の活性化サブスタックへの燃料及び酸化剤の流速を変化させることによって、前記負荷変動に追従するように前記スタックの電力を変化させるステップとを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
少なくとも１個の活性化サブスタックへの燃料及び酸化剤の流速の増大によって前記スタックの電力が十分には変化しないときには、少なくとも１個の加熱不活性サブスタックを活性化させるステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
少なくとも１個の活性化サブスタックの温度を監視するステップと、該温度が選択された動作温度範囲外に逸脱するとき、前記温度が前記範囲の温度の上限を超える場合には前記監視される活性化サブスタック内で燃焼させるための未反応燃料の供給を減少させ、前記温度が前記範囲の温度の下限を下回る場合には前記監視される活性化サブスタック内で燃焼させるための未反応燃料の供給を増大させるステップとを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項９】
少なくとも１個の活性化サブスタックの温度を監視するステップと、該温度が選択された動作温度範囲外に逸脱するとき、前記温度が前記範囲の温度上限を超える場合には、前記監視される活性化サブスタックの燃料電池への燃料及び酸化剤の供給を減少させ、前記温度が前記範囲の温度下限を下回る場合には、前記監視される活性化サブスタックの燃料電池の燃料及び酸化剤の供給を増大させるステップとを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
前記加熱された不活性サブスタック内の燃料電池に燃料を流すステップと、該加熱された不活性サブスタックから排出される未反応燃料を燃焼に使うステップとを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１１】
選択された効率で、かつ、動作温度範囲内で負荷に電力を供給するための燃料電池組立体であって、
（ａ）複数の燃料電池サブスタックと、（ｂ）未反応燃料導管とを含み、
前記各燃料電池サブスタックは、少なくとも１個の固体酸化物形燃料電池とバーナーとを有し、前記各サブスタック内の各燃料電池は、酸化物供給源及び燃料供給源に連結され、
前記未反応燃料導管は前記各サブスタック内の各燃料電池及び各バーナーに連結され、１個のサブスタックの燃料電池から排出される未反応燃料が前記未反応燃料導管を通じて流れることができ、前記サブスタックを加熱するために、１個または２個以上のサブスタック内の前記バーナーに導かれる場合がある、燃料電池組立体。
【請求項１２】
アクチュエータと、該アクチュエータと通信するコントローラとをさらに含み、前記アクチュエータは、前記燃料電池及びバーナーへの燃料及び酸化剤の流れを制御し、前記コントローラは、活性化サブスタック内の前記燃料電池が選択された効率で動作するように、該燃料電池への酸化剤及び燃料の流れを制御するべく設計される、請求項１１に記載の燃料電池組立体。
【請求項１３】
アクチュエータと、該アクチュエータと通信するコントローラとをさらに含み、前記アクチュエータは、前記燃料電池及びバーナーへの燃料及び酸化剤の流れを制御し、前記燃料電池及びバーナーによって発生した熱が前記燃料電池を選択された動作温度範囲内に維持するのに十分であるように、該燃料電池への酸化剤及び燃料の流れを制御するべく設計される、請求項１１又は１２に記載の燃料電池組立体。
【請求項１４】
前記コントローラは、１個または２個以上の不活性サブスタックが前記バーナーによって待機温度まで加熱されるように、前記活性化サブスタックから、前記活性化サブスタックのバーナーへと、前記１個または２個以上の不活性サブスタックのバーナーへとの未反応燃料の流れを制御するべく設計される、請求項１３に記載の燃料電池組立体。
【請求項１５】
各サブスタック内の前記少なくとも１個の燃料電池は連続的な固体多孔性発泡体マトリックス内に包埋される、請求項１１に記載の燃料電池組立体。
【請求項１６】
前記各サブスタック内の少なくとも１個の燃料電池は断熱容器に収容される、請求項１５に記載の燃料電池組立体。
【請求項１７】
電源に接続された抵抗加熱素子を含み、該抵抗加熱素子は、燃料電池サブスタックに熱を提供するために該燃料電池サブスタックの近傍に配置される、請求項１１に記載の燃料電池組立体。
【請求項１８】
前記コントローラは、前記未反応燃料の全てを燃焼するために必要な活性化サブスタック及び加熱不活性サブスタックの数を決定して、該活性化サブスタック及び加熱不活性サブスタック内で前記未反応燃料を全て燃焼させるべく設計される、請求項１３に記載の燃料電池組立体。
【請求項１９】
前記コントローラは、前記負荷を監視して、負荷変動が検出されるとき、少なくとも１個の活性化サブスタックへの燃料及び酸化剤の流速を変化させることによって前記負荷変動に追従するために、前記スタックの電力を変化させるべく設計される、請求項１３に記載の燃料電池組立体。
【請求項２０】
前記コントローラは、前記スタックの電力が、前記少なくとも１個の活性化サブスタックへの燃料及び酸化剤の流速の増大によっては十分に変化しないとき、少なくとも１個の加熱不活性サブスタックを活性化するべく設計される、請求項１９に記載の燃料電池組立体。
【請求項２１】
前記コントローラは、少なくとも１個の活性化サブスタックの温度を監視して、該温度が選択された動作温度範囲から逸脱するとき、前記温度が前記範囲の温度上限を超える場合には前記監視される活性化サブスタック内で燃焼するための未反応燃料の供給を減少させ、前記温度が前記範囲の温度下限を下回る場合には前記監視される活性化サブスタック内で燃焼するための未反応燃料の供給を増大させるべく設計される、請求項１３に記載の燃料電池組立体。
【請求項２２】
前記コントローラは、少なくとも１個の活性化サブスタックの温度を監視して、該温度が選択された動作温度範囲から逸脱するとき、前記温度が前記範囲の温度上限を超える場合には前記監視される活性化サブスタックの燃料電池への燃料及び酸化剤の供給を減少させ、前記温度が前記範囲の温度下限を下回る場合には前記監視される活性化サブスタックの燃料電池への燃料及び酸化剤の供給を増大させるべく設計される、請求項１３に記載の燃料電池組立体。
【請求項２３】
前記コントローラは、前記活性化サブスタック内のバーナーから必要な熱を決定して、前記必要な熱を提供するために十分な未反応燃料を前記活性化サブスタック内のバーナーに導き、そして、残りの未反応燃料を待機温度まで加熱するために少なくとも１個の不活性サブスタックに導くべく設計される、請求項１３に記載の燃料電池組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムの動作を制御する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、セラミックの固相電解質で分離された一対の電極（アノードおよびカソード）を含む。かかるセラミック電解質中で十分なイオン電導度を達成するために、ＳＯＦＣは、高温、典型的には約７００°Ｃないし１０００°Ｃで動作する。典型的なＳＯＦＣ電解質の材料は、完全に緻密な（すなわち、非多孔性の）イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）であり、これは高温において、負に帯電した酸素（酸化物）イオンの優れた導電体である。典型的なＳＯＦＣアノードは多孔性のニッケル／ジルコニアサーメットで作られ、一方典型的なカソードはマグネシウムをドープしたマンガン酸ランタン（ＬａＭｎＯ３）か、ストロンチウムをドープしたマンガン酸ランタン（マンガン酸ストロンチウムランタン（ＬＳＭ）としても知られる）で作られている。動作状態で、アノードを覆って通過している燃料流中の水素または一酸化炭素（ＣＯ）が、電解質を通って導かれる酸化物イオンと反応して水および／またはＣＯ２と電子を形成する。これらの電子は、アノードを通り、外部回路を介して燃料電池の外側へ流れ、回路上の負荷を介して、カソードに戻る。ここで空気流からの酸素は電子を受け取り、酸化物イオンに変換され、これは電解質中に注入される。生じるＳＯＦＣ反応は下記を含む。
【０００３】
アノード反応：Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
ＣＨ４＋４Ｏ２−→２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋８ｅ−
カソード反応：Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−
【０００４】
既知のＳＯＦＣの設計は、平板型燃料電池と管型燃料電池とを含む。本願出願人自身の特許文献１及び２は、電解析出（ＥＰＤ）法と、金属電析（ＭＥＤ）法と、複合材料電析（ＣＥＤ）法とによる管型燃料電池の製造方法を説明している。前記燃料電池は、複数の同心円状層、すなわち内側電極層と中間電解質層と外側電極層とを含む。前記内側電極層および外側電極層は、それぞれアノードおよびカソードであることが適当で、かかる場合、燃料は管を通ってアノードに供給され、前記管の外面を通ってカソードに供給される場合がある。これら２つの用途によって示される方法は、携帯電子機器のような小規模の用途を駆動するのに適する、小径の「微小」燃料電池を製造するうえで特に有用である。
【特許文献１】国際出願第ＰＣＴ／ＣＡ０１／００６３４号明細書
【特許文献２】国際出願第ＰＣＴ／ＣＡ０３／０００５９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
複数の燃料電池が、負荷に電力を提供するために、電気的及び物理的に一体に連結されてスタックを形成する場合がある。一部の用途では、前記負荷は時間的に変動する場合があり、前記スタックによって供給される電力が前記変動する負荷を追従（ｆｏｌｌｏｗ）する燃料電池のさまざまなシステムが提案されてきた。ＳＯＦＣスタック出力が変動する負荷を追従するとき、該スタックが受忍可能な効率で動作していない瞬間があるかもしれない。例えば、燃料使用速度及び燃料電池動作温度はスタック出力の変動とともに変化し、受忍可能な動作範囲から逸脱する場合がある。したがって、負荷追従型燃料電池スタックが効率的に動作することが可能になるような動作戦略を提供することが望ましい。かかる動作戦略は、燃料供給が限られる場合があり、電力管理が重要な検討項目である、携帯的な用途で前記燃料電池スタックが使用される場合には特に重要である。
【０００６】
また動作中、前記スタック内の燃料電池は、安定的な出力電力を提供するために、特定の温度範囲内に維持されるべきである。したがって、前記スタック用のプラントコンポーネントのバランスを提供すること、前記スタックを所望の温度範囲内に維持するとともに、効率及び燃料使用速度のような他の所望の動作パラメータの範囲内に維持するスタックの動作戦略を提供することも望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の概要
本発明の１つの面によると、選択された効率範囲に固体酸化物形燃料電池スタックを維持し、選択された動作温度範囲内に前記スタック内の燃料電池を維持するために、前記スタックの動作を制御する方法が提供される。前記方法は、
（ａ）前記燃料電池スタックに課される負荷を決定するステップと、
（ｂ）前記負荷に対応するために、選択された動作効率で電力を供給するように燃料電池スタック内の燃料電池の十分な数のサブスタックを活性化するステップであって、前記負荷に対応する電力を供給するために、活性化された前記サブスタックを選択された動作温度に加熱し、十分な燃料及び酸化剤を前記サブスタックに供給するステップと、
（ｃ）１個または２個以上の活性化サブスタックから排出される未反応の燃料を燃焼することによって少なくとも１個の不活性サブスタックを加熱し、これによって、前記燃焼が加熱された各不活性サブスタック内で起こることが可能な待機温度で、加熱された前記不活性サブスタックを維持するステップとを含む。
【０００８】
前記活性化サブスタックの加熱は、該活性化サブ標準チャンネルの燃料電池内の電気化学反応から発熱させること、及び、前記活性化サブスタック内の未反応燃料を燃焼することによって達成される場合がある。
【０００９】
前記方法は、未反応燃料全部を燃焼するために要する、活性化サブスタック及び加熱不活性サブスタックの数を決定すること、そして、これらの活性化サブスタック及び加熱不活性サブスタック内で未反応燃料を全部燃焼することを含む場合がある。この手順は、未反応燃料が前記スタックから大気中に排出されることを防ぐ。
【００１０】
前記方法は前記負荷を監視することを含む場合がある。負荷の変化が出てされたとき、少なくとも１個の活性化サブスタックへの燃料及び酸化剤の流速を変化させることによって、スタックの電力が前記負荷の変化に追従するように変化する。前記少なくとも１個の活性化サブスタックへの燃料及び酸化剤の流速の増大によって前記スタック電力が十分に変化しないときは、少なくとも１個の加熱不活性サブスタックが活性化される場合がある。
【００１１】
前記方法は、少なくとも１個の活性化サブスタックの温度を監視することを含む場合がある。前記サブスタック温度が選択された動作温度範囲の温度上限を超えるとき、当該サブスタックに対する燃焼用の未反応燃料の供給及び／又は燃料電池への燃料及び酸化剤の供給が削減される場合がある。逆に、前記サブスタック温度が前記温度範囲の下限を下回るときには、当該サブスタックに対する燃焼用の未反応燃料の供給及び／又は燃料電池への燃料及び酸化剤の供給が増加される場合がある。
【００１２】
本発明の別の面によると、本発明で提供される燃料電池組立体は、該組立体の燃料電池の動作温度を選択された温度範囲内に維持するように設計される。前記燃料電池組立体は、プラスチックの燃料電池サブスタックを含み、該サブスタックのそれぞれはその内部に少なくとも１個の燃料電池とバーナーとを有する。各サブスタック内の各燃料電池は、酸化剤供給源と燃料供給源とに連結される。各サブスタック内の各燃料電池は、未反応燃料導管にも連結され、該導管は各サブスタック内のバーナーに連結される。したがって、前記燃料電池から排出される未反応燃料は前記未反応燃料導管を通って、１個または２個以上のサブスタック内のバーナーに導かれて該サブスタックを加熱する。
【００１３】
コントローラは、前記燃料電池及びバーナーへの燃料及び酸化剤の流れを制御するアクチュエータと通信する。前記コントローラは、活性化サブスタック内の燃料電池及びバーナーによって発生する熱が前記活性化サブスタック内の燃料電池を前記選択された温度範囲内に維持するのに十分であるように、前記バーナー及び燃料電池を動作させるべく設計される。前記コントローラは、前記活性化サブスタックのバーナーへの前記活性化サブスタックからの未反応燃料の流れを制御するとともに、前記不活性サブスタックを待機温度まで加熱するために、１個または２個以上の不活性サブスタックのバーナーへの前記活性化サブスタックからの未反応燃料の流れを制御する。前記コントローラは、前記活性化サブスタックの電気的及び熱的出力を制御するために、各活性化サブスタック内の各燃料電池への燃料及び酸化剤の流れを制御するべく設計される場合がある。
【００１４】
選択的には、各サブスタック内の少なくとも１個の燃料電池が連続的な固相多孔性発泡体マトリックスに埋め込まれる場合がある。また、各サブスタック内の少なくとも１個の燃料電池が断熱ハウジング内に収容される場合がある。
【００１５】
バーナーに加えて、前記燃料電池組立体は、前記燃料電池サブスタックに熱を提供するための抵抗加熱素子を選択的に含む場合がある。前記抵抗素子は電源に接続され、燃料電池サブスタックの近傍に配置される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
発明の詳細な説明
図１を参照して、本発明の１つの実施態様によると、燃料電池システム１は微小ＳＯＦＣスタック１０を含み、該スタックは複数の微小管状固体酸化物形燃料電池１２を含む。これらの燃料電池１２は、直径が０．５ｍｍ乃至５ｍｍで、本発明の出願人による上述の特許文献１及び２に示される方法によって製造される。しかし、必要な状況によっては、同じ技術又は異なる技術によって製造される、微小燃料電池又はより大きな燃料電池を有する燃料電池システムが提供される場合がある。特に、燃料電池１２は同軸で密接する３層の管状層、すなわち、多孔性で電子及びイオン導電性アノードの内層と、高密度セラミック電解質の中間層と、多孔性で電子及びイオン導電性カソードの外層とを有する。
【００１７】
燃料電池１２は複数のサブスタック１４にグループ分けされる。本実施態様では、スタック１０は４個のサブスタック１４を含み、各サブスタックは、それぞれ２個、３個、３個及び４個の燃料電池を有する。しかし、サブスタック１４の数と、各サブスタック１４内の燃料電池１２の数とは、前記システムの電力の必要性に応じて変動する場合がある。サブスタック１４はスタック１０内で電気的に直列接続されるが、選択的には、サブスタック１４が電気的に並列接続されるか、並列及び直列の組み合わせで接続されるかの場合がある（両方とも図示されない。）。スタック１０は１対のリード線を有し、該リード線はノートパソコンのような直流負荷に接続されて直流電力を提供する。選択的には、システム１が交流駆動の機器を駆動することを意図するときには、システム１は前記スタックのリード線に接続された直流／交流コンバータ（図示されない）を含む場合がある。
【００１８】
図２Ａ及びＢを参照して、各サブスタック１４は、酸化剤供給ポート１８及び酸化剤排出ポート２０を有する断熱酸化剤チャンバー１６を有する。酸化剤チャンバー１６は、適当な断熱を提供するために、Ａｓｐｅｎ  Ａｅｒｏｇｅｌの材料でできている場合がある。酸化剤供給導管２１は酸化剤供給ポート１８に連結される。前記酸化剤は空気の場合がある。燃料電池１２は、本発明の出願人による特許文献２に示すとおり、固相多孔性発泡体マトリックス２２の内部に包埋される。マトリックス２２は、電子導電性の材料でできている場合があるので、前記反応のカソード側で集電する役割を果たすとともに、燃料電池１２の機械的支持を提供する。代替的には、燃料電池１２は、スペーサ（図示されない）のような当業者に知られた他の手段を用いて酸化剤チャンバー１６の内部に配置固定される場合がある。各燃料電池１２は、燃料入口端と燃料出口端とに連結され、燃料排出導管２４が各燃料電池１２の燃料排出端に連結される。代替的には、前記燃料電池は１つの端しかない場合（図示されない）があり、その場合には、燃料供給導管２３及び燃料排出導管２４が前記燃料電池１２の開口端に連結される。
【００１９】
前記燃料は気体状水素の場合がある。しかし、メタノール、ブタン、天然ガスその他の当業者に知られたＳＯＦＣ用に適当な炭化水素のような、他の液体又は気体の燃料で置換可能である。加熱素子２６は、各酸化剤チャンバー１６の内部に配置され、約５００−８５０°Ｃ、好ましくは、約７５０−８５０°Ｃの適当な動作温度に特に始動時に燃料電池１２を加熱するため、及び、燃料電池１２をこの温度範囲内に維持するために用いられる。図２Ａに示す加熱素子２６は水素バーナー２６である。バーナー２６は、燃料電池１２から排出される未反応燃料を受け取る未反応燃料導管２７に接続される。
【００２０】
図１を参照して、各燃料電池用の燃料排出導管２４は未反応燃料導管２７に接続される。未反応燃料導管２７は、各燃料排出導管２４からの未反応燃料を受け入れる共通マニフォルドを有する。該共通マニフォルドは、１個のバーナー２６にそれぞれ接続される複数のヘッダを有し、制御バルブ６０が各ヘッダに配置され、各制御バルブ２６が未反応燃料導管２７から各バーナーへの未反応燃料の流れを制御する。
【００２１】
各バーナー２６は、従来の電気化学的な電池のような電源に電気的に接続される圧電式の発火器（ｉｇｎｉｔｅｒ、図示されない）を有する。前記発火器は、バーナー２６を通過する非反応燃料に着火させ、得られた燃焼が、サブスタック１４と、その内部の燃料電池１２とを加熱する熱を発生する。燃焼生成物及び未反応燃料はバーナー２６から排出され、サブスタック１４及びシステム１から排出導管５８を経て流出する。かかる水素バーナーは当業者に知られているので、本明細書では詳しく説明しないが、適当な公知の水素バーナーの例は、Ｊｅｏｎｇｍｉｎ  Ａｈｎら、“Ｇａｓ−ｐｈａｓｅ  ａｎｄ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｈｅａｔ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ  Ｂｕｒｎｅｒ（熱再循環バーナー内での気相及び触媒燃焼）”、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ、３０巻（２００４）に説明されるタイプである。
【００２２】
代替的には、図２Ｂに示すとおり、加熱素子２６は、電源に電気的に接続される電気抵抗素子の場合がある。かかる抵抗素子は、別々に動作する場合もあれば、図２Ａに示すバーナー２６と併用していっしょに熱をサブスタック１４に提供する場合もある。
【００２３】
図１を再び参照して、各サブスタック１４の燃料供給導管２３は燃料供給容器２８に接続される。この容器２８は、気体水素加圧タンク、金属ヒドリドタンクその他の当業者に知られた適当な水素容器の場合がある。水素ガスが加圧容器２８から加圧条件下で供給されるとき、水素ポンプは必要ではないが、より高圧及び／又はより速い流速が望ましい場合、あるいは、前記燃料が適当に加圧された容器に収容されていない場合には、ポンプ（図示されない）が提供されることもある。
【００２４】
空気ファン２９は酸化物供給導管２１と液体連通しており、電源に接続され、電気化学反応に必要な場合には空気を各酸化剤チャンバー１６の内部に移動させる。
【００２５】
電気的バッファー（図示されない）が燃料電池スタック１０及び負荷に電気的に接続される。前記バッファーは、当業者に知られた充電可能な電気化学的な電池の場合があり、前記バッファーは、負荷が燃料電池１２に対応可能なよりも速い速度で増大するときに電力を前記負荷に供給するとともに、燃料電池１２が発電する電力が、コントローラ３２、加熱素子２６、ファン２９その他のシステム１の構成要素を駆動するのに不十分なときに、該構成要素に対する電源としての役割を果たす。前記バッファーは、定期的に、あるいは、必要に応じて、燃料電池１２によって再充電される。
【００２６】
バルブ３０が各燃料供給導管２３に設置される。各バルブ３０はコントローラ３２（図３を参照せよ）によって別々に制御可能であり、例えば、ソレノイドバルブの場合があり、各サブスタック１４への燃料供給を独立に制御することを可能にする場合がある。同様に、制御可能なバルブ３４が、各サブスタックへの酸化剤の流れが独立に制御できるように、各酸化剤供給導管２１内に設置される。主燃料バルブ３６はコントローラ３２と通信し、燃料容器２８の近傍の燃料供給導管に配置される。主燃料バルブ３２は、燃料容器２８がシステム１から除去されるとき、自動的に閉じる一方向チェックバルブの場合があり、状況に応じて、例えば、システム１が停止するとき、あるいは、緊急時のとき、容器２８からの燃料の流れを停止するためにコントローラによって作動させる場合がある。
【００２７】
図３を参照して、コントローラ３２は、さまざまなセンサーからのデータを受信して、さまざまなアクチュエータの動作を制御することによって燃料電池システム１の動作を制御する。前記アクチュエータは、燃料供給導管２１及び酸化剤供給導管２３内の制御可能なバルブ３０，３４と、主燃料バルブ３６と、バーナー２６と、ファン２９と、バッファースイッチ３７とを含む。バッファースイッチ３７は、閉じられるとき、前記バッファーを前記負荷に電気的に接続する。前記センサーは、各サブスタック１４についての以下のセンサーを含む（明確にするために、１個のサブスタック１４についてのセンサーしか図３には示されない）
電圧センサー４０
電流センサー４２
温度センサー４６
燃料流速計４８
酸化剤流速計５０
燃料圧力センサー５２及び
酸化剤圧力センサー５４
【００２８】
コントローラ３２は、燃料容器２８内の燃料液面センサー５６とも通信する。コントローラ３２は負荷とも通信する。負荷がノートパソコンの場合には、コントローラ３２は該パソコンのＣＰＵと通信して、前記ノートパソコンの予想動作時間を含む場合があるデータを受信する。例示のために、本明細書の以下の説明では負荷はノートパソコンとするが、システム１は電気で駆動されるいずれかの機器と電気的に接続される場合があることを了解すべきである。
【００２９】
一般に、コントローラ３２は、燃料電池１２が受忍可能な電気化学反応効率及び受忍可能な動作温度範囲内で動作するように、燃料電池システム１の動作を管理するべくプログラムされる。特に、コントローラ３２は、燃料電池１２を適当な動作温度に加熱して、活性化された燃料電池１２を動作温度範囲内に維持し、かつ、１個または２個以上の不活性燃料電池１２を適当な待機温度で維持することによって、１個または２個以上のサブスタック１４内の燃料電池１２を活性化するべくプログラムされる。コントローラ３２は、サブスタック１４内の燃料電池１２が受忍可能な電気化学反応効率で動作することを可能にする目標動作範囲内にサブスタック１４の燃料流速を維持するべくプログラムされる。
【００３０】
燃料電池システム１についての受忍可能な電気化学反応効率の範囲は６０％以上であるが、当業者には明かなとおり、受忍可能な効率の範囲はシステムごとで異なる場合がある。燃料電池システム１が６０％を超える理想的な効率で動作することは望ましいが、かかる理想的な効率は現実世界の燃料電池動作においては決して達成できない。燃料電池システム１が受忍可能な電気化学反応効率の範囲内で、特に、受忍可能な流速で動作するのに必要な動作パラメータを決定するためには、可逆反応についての以下の基礎的な熱力学的等式を考慮せよ。
【００３１】
効率＝（燃料使用量）
【００３２】
また、燃料電池１２による燃料使用量は以下の式によって決定される。
【００３３】
燃料使用量＝（燃料供給量）＊（燃料使用度、ｆｕｅｌ  ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ）
【００３４】
したがって以下の式が成立する。
【００３５】
効率＝（出力電力）／｛（燃料供給量）＊（燃料使用度）｝
【００３６】
したがって、燃料電池システム１の電気化学反応効率は、出力電力と、燃料供給量と、燃料使用度とのうちの少なくとも１つを制御することによって制御可能である。前記スタックの出力電力は外部負荷によって支配され、該外部負荷は時間とともに変化する場合がある。燃料供給量は、燃料電池１２への燃料流速を制御することによって制御可能である。しかし燃料使用度は、燃料電池システムの構成および設計に依存するため、直接的に制御することはできず、経験的に決定されなければならない。しがたって、制御コンポーネント全てを含む燃料電池システムが構築されるとき、燃料使用度と異なる変数との間の関係を決定するために較正作業が実施されるべきである。
【００３７】
現実的な動作条件下では、図１に示すシステム１の理想的な燃料使用度は約８０−８５％と予想される。
【００３８】
燃料使用量は、燃料供給量、すなわち、燃料電池１２への燃料の流れを制御することによって制御可能である。したがって、燃料電池システム１の電気化学反応効率は、前記燃料供給量を制御することによって制御可能である。燃料使用度と、（燃料電池システム１に課せられる負荷によって決定される）出力電力とが与えられると、コントローラ３２は、燃料電池システム１が受忍可能な電気化学反応効率の範囲内で動作するために必要な燃料供給量の範囲を計算することができる。前記負荷が変化するとき、出力電力及び燃料使用度が変化するので、必要な燃料供給量の範囲も変化する。したがってコントローラ３２は、特定の負荷について適切な燃料供給量の範囲を決定し、該燃料供給量の範囲内になるように燃料流速を調節するべくプログラムされる。
【００３９】
始動時に燃料電池１２は、まず、酸化剤及び燃料を酸化剤供給導管２１及び燃料供給導管２３を通して燃料電池１２に流すことによって活性化される。燃料電池１２が動作温度に達しないときには燃料は反応せず、燃料電池１２から燃料排出導管２４を通って未反応燃料導管２７へ、そして、バーナー２６へと流出し、バーナー２６が前記燃料を着火して燃料電池１２を加温する熱を発生する。燃料電池１２が約５００°Ｃを超える温度まで加熱されるとき、当業者に周知な電気化学反応が起こり、電気が発生して、燃料電池スタック１０のリード線に電気的に接続された負荷に供給される。
【００４０】
システム起動時に、コントローラ３２は以下のステップを実行するようにプログラムされる。コントローラ３２はコンピュータから起動シグナルを受信し、コントローラ３２はバッファースイッチ３７を閉じて速やかに電力をコンピュータに供給することによって前記バッファーを作動させ、バッファー２９に需要がある前記コンピュータによる負荷を決定する。その後コントローラ３２は、この需要を満足させる出力電力を提供するために活性化されなければならないサブスタック１４の数を決定して、選択された適切な数のサブスタック１４になるように、燃料及び酸化剤流路バルブ３０、３４を開ける。サブスタック１４の適当な数は、燃料流速が測定された負荷に対応する受忍可能な燃料供給範囲内になるように、活性化される必要のあるサブスタック１４の数を計算して、これによって、目標の動作効率を達成することによって、決定される。コントローラ３２は、連動する制御バルブ６０を開け、連動するバーナー２６用の発火器を起動することによって、前記選択されたサブスタック１４が活性化されるためにバーナー２６を作動させる。バーナー２６は、酸化剤チャンバー１６及びその内部に配置される燃料電池１２の加熱を開始する。コントローラ３２は活性化された前記サブスタック１４の内部温度を監視して、サブスタック１４内の燃料電池１２が最低動作温度である約５００°Ｃに達すると、燃料電池１２内で電気化学反応が開始して、発電される。いったん需要のある負荷を満足させるのに十分な電気がサブスタック１４によって発生すると、バッファー２６はバッファー負荷スイッチ３７を開けることによって脱活性化され、負荷への電力は活性化されたサブスタック１４だけから排他的に提供される。
【００４１】
バーナー２６と、燃料電池１２自体との両方が発熱するので、燃料電池１２の温度は遂には目標の動作温度範囲の７５０−８５０°Ｃに達する。活性化されるとき、燃料電池１２は電気化学反応のために燃料を消費するので、バーナー２６に達する未反応燃料はより少なくなる結果、バーナー２６によって発生する熱は少なくなる。バーナー２６からの熱の減少は、電気化学反応から発生する熱によって補われる。コントローラ３２は、燃料電池の電気化学反応及びバーナー２６による発熱が目標の動作温度範囲内になることを確保するようにプログラムされる。コントローラ３２は、燃料電池１２及びバーナー２６への燃料及び酸化剤の流速を制御することによって、この温度範囲内に燃料電池温度を維持することができる。具体的には、コントローラ３２は、ファン２９の速度を制御することによるか、あるいは、酸化剤流バルブ３４を制御することによって、燃料電池１２への酸化剤の流速を制御する。コントローラ３２は、燃料電池１２と連動する燃料流バルブ３０を制御することによって燃料電池１２への燃料流速を制御し、バーナー２６と連動する制御バルブ６０を制御することによってバーナー２６への燃料流速を制御する。
【００４２】
例えば、特定のサブスタック１４の燃料電池温度が前記動作温度範囲の上限に近づく場合には、コントローラ２６が、サブスタック１４への酸化剤流速を増大することによってサブスタック１４の冷却を増大させ、及び／又は、前記サブスタック内の燃料電池１２及びバーナー２６のうちの一方又は両方への燃料流速を減少させて、それにより、燃料電池１２及び／又はバーナー２６の熱出力を低下させる場合がある。コントローラ２６は、バーナー２６内の発火器を脱活性化させるか、あるいは、バーナー２６への未反応燃料流を停止するかによってバーナー２６を完全に消火することによってさらに熱出力を低下させる場合もある。逆に、追加の熱が特定のサブスタック１４の燃料電池１２に必要なときには、コントローラ３２は、電気化学反応及び対応する熱出力を増大させるために、酸化剤及び燃料の両方の流速を増大させる場合がある。
【００４３】
活性化サブスタック１４の燃料電池１２から排出される未反応燃料の流速は、該サブスタック１４のバーナー２６がそのサブスタック１４をを目標の動作温度範囲内に維持するために必要な燃料よりも多くの燃料を提供することが予測される。余剰の未反応燃料を大気中に放出するかわりに、この未反応燃料は、これらのサブスタック１４内の燃料電池１２を高温の「待機」温度で維持するために、１個または２個以上の不活性なサブスタック１４内のバーナー２６に導かれる場合がある。これは、これらのサブスタック１４内の燃料電池１２が常温のサブスタック１４よりも迅速に活性化することを可能にする。
【００４４】
前記待機温度は、燃料電池１２内で電気化学反応が開始する最低温度、すなわち、３００−５００°Ｃ、好ましくは約４００°Ｃに近いがこれより低い。したがって、コントローラ３２は、活性化サブスタック１４のバーナー２６が目標動作温度に活性化サブスタック１４を維持するために必要な未反応燃料を決定して、これらのバーナー２６用の制御バルブ６０を作動させて、適切な量の燃料をこれらのバーナー２６に導く。そして、コントローラ３２は、残りの未反応燃料で何個の不活性サブスタック１４が待機温度に保温できるかを決定して、これらのサブスタックへの制御バルブ３４、６０を作動させて酸化剤及び燃料をこれらのサブスタック１４のバーナー２６へ導く。コントローラ３２は、加熱された不活性サブスタック１４への燃料供給バルブを開けて、これらのサブスタック１４内での参加を防ぐために、これらのサブスタック１４の燃料電池１２を通って燃料を流す場合もある。
【００４５】
バーナー１６は、前記未反応燃料の大半を燃焼することが予想される。気体状のＨ２が燃料として用いられるとき、燃焼反応は非常に早く、空気はとても豊富なので、未燃焼の排気のＨ２燃料はゼロのはずである。メタノールのような燃料を用いるときには、燃料の未燃焼の量は最小のはずである。選択的には、未燃焼の燃料がいくらかでも大気中に放出されるのを防ぐためには、バーナー１６によって燃焼されなかった燃料を燃焼するために追加の「一般的な」バーナー（図示されない）がバーナー１６の下流に設置される場合がある。
【００４６】
待機中のサブスタック１４が活性化される必要が生じるときには、コントローラ３２は１個または２個以上の不活性サブスタック１４への反応剤の流れを増加させて、該サブスタック１４内のバーナー２６にもっと発熱させ、燃料電池１２を目標動作温度範囲内にまで加熱させる。その後コントローラ３２は、燃料電池１２への燃料の流れを増大させるために、前記大気中のサブスタック１４用の燃料供給バルブ３０を作動させる。
【００４７】
動作中に動作負荷が変化するとき、コントローラ３２は、燃料電池動作パラメータが調整されなければならないか決定して、そうであれば、スタック出力が負荷の変化を追従するように、必要な調整を行う。図４を参照して、コントローラ３２は新たな動作負荷を決定する。負荷が増大するとき、コントローラ３２はバッファースイッチ３７を閉じることによって、前記新たな負荷を満足させるための電力を速やかに供給する。その後コントローラ３２は、前記新たな動作負荷に対応する新たな目標動作パラメータ（すなわち燃料流速及びサブスタック温度）を決定して、前記燃料流速及び温度が前記新たな動作負荷に対応する目標動作範囲内になるように、当該活性化サブスタック１４の前記流速及び／又は温度を調整する。前記調整が、システム１を前記目標動作範囲内にするのに不十分な場合には、追加のサブスタック１４が活性化される。燃料電池１２が前記新たな負荷を満足させるのに十分な電力を発生するとき、コントローラ３２はバッファースイッチ３７を開ける。
【００４８】
負荷が減少するとき、燃料流速についての目標動作範囲は低下する。コントローラ３２は、燃料及び酸化剤の流速を減少させるために、まず、活性化サブスタック１４への燃料及び酸化剤の供給バルブ３０、３４を作動させて、出力電力を減少させる。負荷があまり大きく減少するので出力電力の減少が活性化サブスタックを目標効率範囲から逸脱させる場合には、コントローラ３２は、残りのサブスタック１４が効率的に動作させることができるまで、１個または２個以上のサブスタック１４を脱活性化させる。サブスタックは燃料供給バルブ３０を閉じることによって脱活性化される。酸化剤供給バルブ３４及び未反応燃料制御バルブ６０は、バーナー２６を動作させて、脱活性化されたサブスタック１４を待機温度で維持するために開けたままに保たれる場合がある。
【００４９】
図５を参照して、コントローラ３２は各サブスタック１４内の前記温度センサーを監視して、本実施態様では７５０ないし８５０°Ｃである、目標動作温度範囲内にサブスタック１４を保つための行動に着手する。活性化サブスタック１４のいずれかの温度が前記目標温度範囲を超える場合には、コントローラ３２は、まず、ファン２９の速度を増大することか、酸化剤供給バルブ３４の開口を広げることかによって、サブスタック１４を通る酸化剤の流速を増大する。酸化剤の流れはサブスタック１４から熱を運び出すことによって燃料電池１２を冷却する役割を果たす。温度がまだ目標温度範囲を超える場合には、コントローラ３２はバーナー１４への燃料の流速を減少させるように制御バルブ６０を作動させて、バーナー１４からの熱出力を減少させる。温度がまだ前記目標温度範囲を超える場合には、コントローラ３２は燃料供給バルブ３０を作動させて燃料電池１２への燃料の流速を減少させるが、これは燃料電池の電気及び熱出力を減少させる原因になる。電気出力は外部負荷に依存するため、燃料電池１２への燃料の流速の変化が電気出力を著しく変化させることは予想されないが、熱出力に著しい変化を生じさせることは予想されることに留意せよ。選択的に、制御バルブ６０は、バーナーの動作を完全に停止させる場合がある。
【００５０】
サブスタック１４のいずれかの温度が新たな目標温度範囲より下がる場合には、コントローラ３２は、まず、燃料電池１２への燃料及び酸化剤の流速を増大させるように燃料及び酸化剤供給バルブ３０、３４を作動させて、燃料電池１２からの熱出力を増大させる（電気出力の増大は最小限）。前記追加の燃料の流れは、利用可能な未反応燃料の増加をもたらすであろうが、該未反応燃料は制御バルブ６０を経てバーナー２６に導かれてバーナーの熱出力を増大させて熱の増大に寄与する場合がある。
【００５１】
図６を参照して、コントローラ３２は、サブスタック１４内の燃料電池１２の電気化学反応が停止するまで該サブスタックへの燃料の流れを減少させることによって、サブスタック１４を停止させるようにプログラムされる。燃料電池１２が７００°Ｃを超えるとき、燃料流速は２０％減少し、燃料電池１２が７００°Ｃ未満に下がると燃料流速はさらに１０％減少する。燃料電池１２が５００°Ｃ未満に下がるとき、前記コントローラは、燃料電池１２が空気によって酸化されることを防ぐのに十分な最低レベルまで燃料流速を減少させるが、空気による酸化は３００°Ｃより上で発生する傾向がある。選択的に（図６には示されない）、燃料電池１２が４００°Ｃ未満に下がるとき、コントローラ３２はバーナー２６を活性化させて燃料電池１２を約４００°Ｃの待機温度に維持する。
【００５２】
本実施態様では、４個のサブスタック１４はそれぞれ異なる数の燃料電池１２を有し（但し、上から２番目及び３番目のサブスタックは両方とも３個の燃料電池を有するのでこれらを除く）、一定の動作条件に対して異なる出力を発生する。これは、コントローラ３２が、需要のある負荷のために適切な単数又は複数のサブスタック１４を選択することを可能にする。しかし、サブスタック１４の数と、各サブスタック１４内の燃料電池１２の数とは、本発明の範囲内で、かつ、ユーザの必要に応じて変動する場合がある。
【００５３】
本発明の好ましい実施態様の例示及び説明がなされたが、さまざまな変更を本発明の範囲及び精神から逸脱することなく行うことができることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】４個の独立に制御可能なサブスタックを有する微小ＳＯＦＣスタック内での燃料及び酸化剤の流れの接続を示す、本発明の実施態様の概念図。
【図２Ａ】水素バーナー加熱素子を有する、図１のＳＯＦＣスタックの１個のサブスタックの拡大概念図。
【図２Ｂ】電気抵抗加熱素子を有する、図１のＳＯＦＣスタックの１個のサブスタックの拡大概念図。
【図３】コントローラと、燃料電池システム内のサブスタックその他の構成要素のセンサー及びアクチュエータとの間の通信接続を示す、図１のＳＯＦＣスタックのコントローラの概念図。
【図４】前記コントローラによって実行される負荷追従動作戦略を示す、コントローラ動作フロー・チャート。
【図５】前記コントローラによって実行される温度管理戦略を示す、コントローラ動作フロー・チャート。
【図６】前記コントローラによって実行されるサブスタック停止手順を示す、コントローラ動作フロー・チャート。
【符号の説明】
【００５５】
１    燃料電池システム
１０    微小ＳＯＦＣスタック
１２    微小管状固体酸化物形燃料電池
１４    サブスタック
１６    酸化剤チャンバー
１８    酸化剤供給ポート
２０    酸化剤排出ポート
２１    酸化剤供給導管
２２    固相多孔性発泡体マトリックス
２３    燃料供給導管
２４    燃料排出導管
２６    水素バーナー
２７    未反応燃料導管
２８    燃料供給容器
２９    空気ファン
３０、３４    バルブ
３２    コントローラ
３６    主燃料バルブ
３７    バッファー負荷スイッチ
４０    電圧センサー
４２    電流センサー
４６    温度センサー
４８    燃料流速計
５０    酸化剤流速計
５２    燃料圧力センサー
５４    酸化剤圧力センサー
５６    燃料液面センサー
５８    排出導管
６０    制御バルブ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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