(57)【要約】本発明の車両用発電機は、バッテリーパックに機能的に接続された高温ＰＥＭ型燃料電池システムを含む。ＰＥＭ型燃料電池システムとバッテリーパックとの間に、電力調整器が機能的に接続されている。本発明の発電システムは、水蒸気改質器または自己熱改質器などの燃料処理装置を含む。前記改質器は、様々な種類の燃料を改質することができるように設計されている。本発明の発電システムは、同等の走行可能距離を有するバッテリー式電気自動車よりも潜在的に低いコストで、車両の走行可能距離を伸ばすことができる。これらの構成要素を統合して単一のシステムとすることにより、車両を燃料フレキシブルにすること、すなわちシステムのハードウェアを交換することなく様々な種類の燃料を使用することが可能となる。【選択図】図１
2013513209.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料フレキシブルな燃料電池システムであって、
少なくとも１種類の水素含有燃料を含む燃料供給源と、
前記燃料供給源に流体連通されており、前記燃料供給源から供給された前記少なくとも１種類の水素含有燃料から水素を生成し、かつ一酸化炭素除去用の選択的酸化剤を使用しない燃料処理装置と、
前記燃料処理装置用のヒータと、
少なくとも１００℃で作動することができ、定常状態下及び非定常状態下で作動し、かつ前記燃料処理装置で生成された水素の供給を受けることができるように前記燃料処理装置に流体連通されている少なくとも１つの高温ＰＥＭ型燃料電池とを含み、
前記燃料電池の定常状態及び非定常状態の両状態において、前記燃料処理装置から前記燃料電池へ水素を供給するようにしたことを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、
前記燃料処理装置が、自己熱改質器であることを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムであって、
前記燃料処理装置が、マイクロリス型自己熱改質器であることを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項２に記載のシステムであって、
前記燃料処理装置が、モノリス型自己熱改質器であることを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、
前記燃料処理装置が水蒸気改質器であることを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムであって、
前記燃料処理装置が、少なくとも約６００℃で作動することができることを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムであって、
前記燃料電池が、定常状態下で、約１２０℃ないし約２００℃で作動することができることを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムであって、
前記燃料供給源が、複数種類の水素含有燃料を含むことを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項１に記載のシステムであって、
前記燃料処理装置の温度データを取得すべく前記燃料処理装置に機能的に接続されたデータ取得システムをさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシステムであって、
前記データ取得システムに機能的に接続された制御装置をさらに含み、
前記制御装置により、前記燃料処理装置から取得した温度データに基づいて、前記燃料処理装置へ供給される燃料の流量、空気の流量及び水の流量のうちの少なくとも１つを調節することによって、当該燃料電池システムの効率を最適化するようにしたことを特徴とするシステム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムであって、
前記制御装置により、前記燃料処理装置と前記燃料電池との間の流体連通を切断することなく、前記燃料処理装置へ供給される燃料の流量、空気の流量及び水の流量のうちの少なくとも１つを調節するようにしたことを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項９に記載のシステムであって、
前記データ取得システムに機能的に接続された制御装置をさらに含み、
前記制御装置により、前記燃料処理装置から取得した温度データに基づいて、前記燃料電池から取り出す電流の量を調節するようにしたことを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項１に記載のシステムであって、
前記高温ＰＥＭ型燃料電池の電圧データを取得すべく前記高温ＰＥＭ型燃料電池に機能的に接続されたデータ取得システムをさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシステムであって、
前記データ取得システムに機能的に接続された制御装置をさらに含み、
前記制御装置により、前記高温ＰＥＭ型燃料電池から取得した電圧データに基づいて、前記燃料処理装置へ供給される燃料の流量、空気の流量及び水の流量のうちの少なくとも１つを調節するようにしたことを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項１４に記載のシステムであって、
前記制御装置により、前記燃料処理装置と前記燃料電池との間の流体連通を切断することなく、前記燃料処理装置へ供給される燃料の流量、空気の流量及び水の流量のうちの少なくとも１つを調節するようにしたことを特徴とするシステム。
【請求項１６】
請求項１４に記載のシステムであって、
前記燃料処理装置へ供給される燃料の流量、空気の流量及び水の流量のうちの少なくとも１つを決定することができるように、前記制御装置または前記データ取得システムの一方がルックアップテーブル・データベースに機能的に接続されていることを特徴とするシステム。
【請求項１７】
請求項１３に記載のシステムであって、
前記データ取得システムに機能的に接続された制御装置をさらに含み、
前記制御装置により、前記高温ＰＥＭ型燃料電池の前記電圧データに基づいて、前記燃料電池から取り出す電流の量を調節するようにしたことを特徴とするシステム。
【請求項１８】
請求項２に記載のシステムであって、
前記少なくとも１つの高温ＰＥＭ型燃料電池から排出されたカソード排ガスを前記自己熱改質器へ直接的に導入することにより、前記少なくとも１つの高温ＰＥＭ型燃料電池で生成された水を回収するようにしたことを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２００９年１２月３日出願の米国特許仮出願第61/266,468号及び２０１０年５月２８日出願の米国特許非仮出願第12/790,701号の利益を主張するものであり、上記両出願の開示内容は参照により本明細書に援用されるものとする。
【０００２】
（技術分野）
本発明は概して、エネルギー貯蔵及び生成装置に関し、より具体的には、車両の駆動を支援するための該装置の使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
一般的に、電気自動車の駆動のための電力はバッテリーによって提供される。このようなバッテリーは一般的に、プラグイン機構を通じて、電力網からの電力を用いて充電される。最新式のバッテリーは、最新式の内燃機関、外燃機関または燃料電池よりも大幅に重いマスエンベロープ（mass envelope）内にエネルギーを電気的に蓄えることができる。このため、バッテリー式電気自動車の走行可能距離は、所望の走行可能距離を実現するのに必要とされるエネルギーを貯蔵するために必要なバッテリーの重量、サイズ及びコストによって制限される。そのため、バッテリー式電気自動車の走行可能距離は、一般に、同等の内燃機関、外燃機関または燃料電池を動力源とする車両の走行可能距離よりも短くなる。
【０００４】
また、バッテリー式電気自動車のバッテリーの充電は、時間がかかり、かつ、大量のエネルギーを消費するプロセスであった。このことは、バッテリー式電気自動車の走行可能距離の問題に悪影響を及ぼす。運転手の目指す目的地に到達する前に車両の走行可能距離の限界に達するという、時間的な不利益が存在するからである。そのため、バッテリー式電気自動車のバッテリーの充電量が減少した状態のときに、該電気自動車の運転手の多くが体験するストレス感を表す「走行距離不安症（range anxiety）」という用語が作り出された。
【０００５】
そして、バッテリー式電気自動車の大きな制約は、電気でしか燃料補給（すなわち充電）を行えないことである。そのため、電気自動車の環境影響は、大部分のユーザがほとんど管理できない事項である電力を生成する方法と結びついている。電力が主に石炭から生成される地域では、バッテリー式電気自動車の環境影響は、同等のガソリン車よりも大きくなるであろう。
【０００６】
バッテリー式電気自動車の走行可能距離、燃料補給時間及び燃料補給源の問題を解決するために、内燃機関、外燃機関または燃料電池発電機を組み込むことが提案されている。これらの発電機は、利用可能な燃料を用いて燃料補給することができる。前記燃料の化学エネルギーを電気エネルギーへ変換することに関連する非効率を差し引いても、前記燃料の化学エネルギーによって電気自動車が持ち運ぶエネルギーは増加する。前記発電機は、主に、電気自動車のバッテリーを再充電するために、または、前記バッテリーから取り出す電気エネルギーの量を減らすために使用される。
【０００７】
しかしながら、内燃機関をバッテリーパックと共に使用することは技術的に複雑であるため、過度のエネルギー損失をもたらす。その場合、電気自動車の効率は低下し、必要とされるエンジンのサイズは増大する。最大の障壁は、内燃機関から出力された力学エネルギーを、発電機によって電気エネルギーへ変換することである。さらに、前記発電機の電気出力は、電気自動車のバッテリーの電圧に適合するように変換する必要がある。これらのエネルギー変換ステップはエンジンの全体効率を減少させ、その上、エンジンの重量、サイズ及びコストを増加させる。
【０００８】
さらに、内燃機関は、燃焼ムラのある燃焼過程及び燃焼室内での圧縮及び膨張過程に起因して、本質的に窒素酸化物（ＮＯｘ）を排出する。高い燃焼温度及び高い圧力は、ＮＯｘの形成を促進する。ＮＯｘは地表近くで生成されるオゾンの前駆体であり、小児の肺疾患及び慢性ぜんそくの主要原因である。
【０００９】
そして、燃焼機関は、様々な燃料を用いることができるが、複数種類の燃料を使用できることはめったにない。例えば、無鉛ガソリンエンジンがディーゼル燃料で作動する能力を有することは非常にまれである。この限界は、燃料の種類毎に必要とされる圧縮及び膨張の差異に起因する。さらに、各燃料は互いに異なる潤滑性及び材料要件を有しているため、可動部分は、互いに異なる種類の燃料で作動できるように設計が複雑になる。
【００１０】
燃料電池は、バッテリーと同様に、化学エネルギーを電力へ直接的に変換する電気化学的発電機である。この直接的な変換は、非常に高効率の作動をもたらすことができる。最新式のコスト効果的な燃料電池は、燃料として水素を用いている。そのため、バッテリー式電気自動車の走行可能距離を伸ばす目的で燃料電池を使用するためには、水素を燃料として使用するか、または車両に改質器を搭載する必要がある。
【００１１】
水素は多種多様な燃料供給源から生成することができるため、魅力的な車両用燃料である。電気自動車からは水蒸気しか排出されない。しかし、水素は、容積エネルギー密度が低い燃料である。つまり、所定体積中に含まれる水素のエネルギー量は比較的小さい。例えば、図１は、２０ｋＷｈのバッテリーパックを充電するのに必要な燃料の量（ガロン）を示したグラフである。燃料電池システムを用いて車両のバッテリーに２０ｋＷｈの電力を供給するためには、５０００ｐｓｉに圧縮された水素が１４．２ガロン必要である。一方、ディーゼル油やガソリンの場合は２ガロンである。液体燃料は水素燃料よりもはるかに高いエネルギー量を有するので、改質に関連する効率損失が大きくても、必要とされる燃料量はより少なくなる。
【００１２】
従来の燃料電池に水素以外の燃料を用いる場合でも、改質器は必要となる。改質器は、通常は触媒を用いた方法によって、燃料を水素リッチガスに変換する。しかし、最新式の改質器触媒は、燃料中の硫黄成分の影響を受けやすい。この理由により、ガソリン及びディーゼルの改質は、高度な専門的作業である。ほとんどのガソリン改質器またはディーゼル改質器は、改質器に入る硫黄の濃度を減少させるために、液体硫黄トラップ、水素化脱硫反応器、または分別器を用いている。これらの機器は、システム全体を複雑にし、かつコスト、サイズ及び重量を増大させる。
【００１３】
燃料電池システムに様々な種類の燃料を使用することの別の障壁は、燃料処理装置により様々な燃料混合物を改質する必要があることである。例えば、一般的に用いられるガソリンは、ヘプタン、イソオクタン、シクロペンタン、エチルベンゼン及びエタノールの混合物からなる。そのため、ガソリン燃料処理装置は、複合燃料混合物を効率的に改質できなければならない。しかし、改質作業は吸熱性の水素生成反応と酸化エネルギー生成反応とのバランスを取る必要があるため、前記改質作業は複雑なものとなる。良くバランスの取れている改質器は、正味エネルギー生成がゼロとなるべきである。しかし、燃料混合物の各燃料（例えばガソリン）は、改質のために様々な量のエネルギーを必要とし、かつ、酸化されたときに様々な量のエネルギーを生成する。燃料流量や燃料組成の変更は改質反応を不安定にし、それにより、効率を低下させ、ハードウェアの信頼性を損なわせ、かつ、改質プロセスを停止させるおそれがある。
【００１４】
改質物の組成は、燃料電池の性能に影響を与える。特に、一酸化炭素（ＣＯ）及び硫化水素は、改質反応の一部で生成され得る、よく知られている燃料電池被毒物質である。ＣＯは発生を防ぐことができないので問題がある。一方、硫化水素は、燃料から硫黄を除去することにより除去することができる。
【００１５】
ＣＯは、燃料電池のアノード電極の活性部位と結合して該アノード電極を劣化させる。つまり、ＣＯ分子は、水素分子と電極部位を奪い合う。アノード電極のＣＯ活性レベルは、温度に大きく依存する。燃料電池の温度が上昇すると、ＣＯ活性は減少し、水素活性が増加する。最新式の低温ＰＥＭ型燃料電池は、改質物流中のＣＯ濃度が３０ｐｐｍ（０．００３％）以上になると性能が大きく低下する。低温ＰＥＭ型燃料電池は、６０℃ないし８０℃で作動する。１２０℃ないし２００℃で作動する高温ＰＥＭ型燃料電池は、改質物流中のＣＯ濃度が３％以下であれば、許容可能な性能を示す。
【００１６】
ＣＯを制御するために、燃料処理装置は、水性ガスシフト改質器、パラジウム薄膜分離器、及び／または圧力スイング吸収装置を備えている。これらの反応器は、重量、サイズ及びコストを増加させ、かつ燃料電池システムを複雑にする。
【００１７】
従って、そのような問題点を最小限に抑えることができるシステムが求められている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、燃料フレキシブルな燃料電池システムに関する。本発明の燃料電池システムは、同等の走行可能距離を有するバッテリー式電気自動車よりも潜在的に低コストで、車両の走行可能距離を大幅に伸ばすことができる。複数の構成要素を統合して１つのシステムにすることにより、車両を燃料フレキシブルにすること、すなわち、システムのハードウェアを変更することなく様々な種類の燃料を使用することが可能となる。本発明の燃料電池システムは、１種類以上の水素含有燃料を含む燃料供給源を含む。一実施形態では、前記燃料供給源は、複数種類の水素含有燃料を含むことができる。
【００１９】
本発明の燃料電池システムは、燃料処理装置をさらに含む。前記燃料処理装置は、前記燃料供給源に流体連通されている。前記燃料処理装置は、前記燃料供給源から供給された前記１種類以上の水素含有燃料から水素を生成する。前記燃料処理装置は、一酸化炭素（ＣＯ）除去用の選択的酸化剤を使用しない。本発明の燃料電池システムは、前記燃料処理装置用のヒータをさらに含む。前記燃料処理装置は、少なくとも約６００℃で作動することができる。前記燃料処理装置は、自己熱改質器、マイクロリス（microlith）型自己熱改質器、モノリス（monolith）型自己熱改質器、または水蒸気改質器であり得る。
【００２０】
本発明の燃料電池システムは、１以上の高温ＰＥＭ型燃料電池をさらに含む。前記燃料電池は、少なくとも１００℃で作動することができる。前記燃料電池は、定常状態下及び非定常状態下で作動する。前記燃料電池は、前記燃料処理装置で生成された水素の供給を受けることができることができるように、前記燃料処理装置に流体連通されている。前記燃料電池の定常状態及び非定常状態の両状態において、水素が、前記燃料処理装置から前記燃料電池へ供給される。定常状態下では、前記燃料電池は約１２０℃ないし約２００℃で作動することができる。前記燃料処理装置が自己熱改質器である場合、前記燃料電池から排出されたカソード排ガスを自己熱改質器に直接的に導入することにより、前記燃料電池で生成された水を回収することができる。
【００２１】
本発明の燃料電池システムは、データ取得システムをさらに含み得る。一実施形態では、前記データ取得システムは、前記燃料処理装置の温度データを取得すべく前記燃料処理装置に機能的に接続されている。前記データ取得システムには制御装置が機能的に接続されている。前記制御装置は、前記燃料処理装置から取得した温度データに基づいて、前記燃料処理装置へ供給される燃料の流量、空気の流量及び／または水の流量を調節することができる。このことにより、本発明の燃料電池システムの効率を最適化することができる。前記制御装置は、前記燃料処理装置と前記燃料電池との間の流体連通を切断することなく、前記燃料処理装置へ供給される燃料の流量、空気の流量及び／または水の流量を調節することができる。別の実施形態では、前記制御装置は、前記燃料処理装置から取得した温度データに基づいて、前記燃料電池から取り出す電流の量を調節することができる。
【００２２】
別の実施形態では、前記データ取得システムは、前記高温ＰＥＭ型燃料電池の電圧データを取得すべく前記高温ＰＥＭ型燃料電池に機能的に接続されている。前記データ取得システムには制御装置が機能的に接続されている。前記制御装置は、前記高温ＰＥＭ型燃料電池から取得した電圧データに基づいて、前記燃料処理装置へ供給される燃料の流量、空気の流量及び／または水の流量を調節することができる。このことにより、本発明の燃料電池システムの効率を最適化することができる。前記制御装置は、前記燃料処理装置と前記燃料電池との間の流体連通を切断することなく、前記燃料処理装置へ供給される燃料の流量、空気の流量及び／または水の流量を調節することができる。前記制御装置及び／または前記データ取得システムは、前記燃料処理装置へ供給される燃料の流量、空気の流量及び／または水の流量を決定することができるように、ルックアップテーブル・データベースに機能的に接続されている。一実施形態では、前記制御装置は、前記高温ＰＥＭ型燃料電池から取得した電圧データに基づいて、前記燃料電池から取り出す電流の量を調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】２０ｋＷｈのバッテリーパックを再充電するのに必要な燃料の量（ガロン）を示すグラフである。
【図２】本発明の発電システムを有する電気自動車におけるエネルギーの流れを示す概略図である。
【図３】本発明の発電システムを有する電気自動車の一実施形態におけるエネルギーの流れを示す概略図である。
【図４】自己熱改質器を含む発電システムを有する電気自動車の一実施形態におけるエネルギーの流れを示す概略図である。
【図５】水蒸気改質器を含む発電システムを有する電気自動車の一実施形態におけるエネルギーの流れを示す概略図である。
【図６】ルックアップテーブルに基づくフィードバック制御ループを用いて、燃料処理装置へ供給される燃料の流量、空気の流量及び水の流量を最適化する方法を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明は、乗り物の駆動システムに関する。前記乗り物は、いくつかの例を挙げれば、例えば車、単車、列車、船、ボート、飛行機などの、少なくとも部分的には機械的な輸送手段であり得る。本明細書において様々な可能な態様が説明されるが、その詳細な説明は例示のみを目的とする。図２〜図６に本発明を示すが、本発明は図示した構造及び用途に限定されない。図示の単純化及び明瞭化のために、必要に応じて、別々の図面において同様の要素を示すのに参照番号を繰り返し使用する。
【００２５】
図２を参照して、本発明の発電システム１０は、車両１２に任意の適切な方法で組み込むことができる。本発明の発電システム１０は、燃料処理装置（fuel processor）１４と、高温プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池１６と、１種類以上のバッテリーを含み得るバッテリーパック１８とを含む。バッテリーパック１８は、任意の適切な種類のバッテリーを含み得る。一実施形態では、前記１以上のバッテリーはリチウムイオンバッテリーであり得る。
【００２６】
図２に示すように、エネルギーは、燃料２０の供給により、及び／または電力網２２への接続により車両１２に導入することができる。車両１２に導入されたエネルギーは、バッテリーパック１８及び燃料２０によって持ち運ぶことができる。この発電システムでは、燃料電池１６は、通常の走行サイクル時に、車両の平均消費電力の少なくとも一部をまかなうことができる電力を供給するように設計されている。燃料電池１６は、主に、車両のバッテリー１８を再充電するように、及び／またはバッテリー１８から車両駆動システム２４へ供給される電力量を減らすように設計されている。
【００２７】
バッテリー１８は、燃料電池１６に機能的に接続されている。また、バッテリー１８は、車両の電気駆動システム２４にも機能的に接続されている。本明細書において用いられる「機能的に接続される」という表現は、直接的な接続または間接的な接続を含んでおり、物理的に直接接触しない接続も含まれる。一実施形態では、「機能的に接続される」は、バッテリー１８と燃料電池１６との間での電力の伝達、及びバッテリー１８から車両電気駆動システム２４への電力の伝達を可能にする電力電子装置及び制御電子装置（図示せず）を用いることを含む。また、図３に示すように、燃料電池１６は、バッテリーパック１８及び車両駆動システム２４に対して並列に接続することもできる。燃料電池１６からバッテリー１８への電流の流れを電圧調節によって制御するために、制御された電力調整器またはＤＣ／ＤＣ変換器２６などの燃料電池電力調整器を、燃料電池１６とバッテリーパック１８との間に機能的に配置することができる。
【００２８】
一実施形態では、燃料電池システム１６によって特定の出力が生成されるように、燃料電池１６及び燃料処理装置１４は、個別の条件においてのみ作動され得る。前記個別の条件は、例えば、５００Ｗでのトリクル充電及び温度維持や、５ｋＷでのバッテリー充電などであり得る。
【００２９】
一実施形態では、燃料電池１６は、高温ＰＥＭ型燃料電池であり得る。高温ＰＥＭ型燃料電池１６は、１００℃を超える温度においてプロトン伝導可能な固体電解質または半固体電解質を含み得る。高温ＰＥＭ型燃料電池１６は、定常状態作動時に、１２０℃〜２００℃の温度帯で作動することができる。この温度範囲において、燃料電池１６は、３％以下のＣＯ濃度及び１０ｐｐｍ以下の硫化水素濃度で作動することができる。また、前記作動温度では、改質物質中の低水素濃度に対する燃料電池１６の感受性を減少させることができる。
【００３０】
低温燃料電池、すなわち、定常状態作動時の作動温度が１２０℃以下の燃料電池は、本発明に適さないだろう。例えば、低温燃料電池は、高ＣＯ濃度（例えば３％）に対処することができないので、一酸化炭素に被毒されやすい。さらに、低温燃料電池は、複数種類の炭化水素系燃料を扱うことができない。加えて、高温燃料電池は湿度の影響を受けないが、低温燃料電池は湿度の影響を大きく受ける。そのため、低温燃料電池は、湿度に起因して生じ得る種々の問題を防ぐための様々な余分な機能を含むため、非常に複雑な構造となる。
【００３１】
高温ＰＥＭ型燃料電池システム１６は、燃料電池システム１６の一部である外部フインを通じて、または燃料電池システム１６の一部を構成する冷却板を介して空気を送風するファンを使用する空冷式にすることができる。空冷の使用は、燃料電池システムにおいて冷却液、ラジエーター及びポンプを不要とすることができ、それにより燃料電池システム１６の全体コスト、重量及びサイズを小さくすることができる。燃料電池１６は、カソード空気を使用する空冷式にすることができる。
【００３２】
本発明の発電システム１０は、任意の適切な種類の燃料処理装置１４を含み得る。例えば、燃料処理装置１４は、１種類以上の炭化水素系燃料を処理して水素を生成することができる改質器システムであり得る。改質器システムの例としては、水蒸気改質器や自己熱改質器が挙げられる。自己熱改質器は、起動が高速であり、かつ様々な燃料に含まれている硫黄に対して良好な耐性を有することが分かっている。前記改質器システムは、様々な燃料混合物を改質することができるように設計される。したがって、燃料供給源２８は、複数種類の水素含有燃料を含むことができる。各燃料は炭化水素系であり得る。前記複数種類の燃料は、互いに異なる種類であり得る。前記複数種類の燃料は、燃料供給源２８において互いに混合してもよいし、または互いに別々にしておいてもよい。前記複数種類の燃料は、燃料処理装置１４に、同時に導入されるか、または互いに異なる時点で別々に導入される。燃料処理装置１４の変換効率及び熱力学効率は、燃料混合物によって異なり得る。燃料処理装置１４は、少なくとも約６００℃の温度で作動可能であり得る。
【００３３】
本発明の発電システム１０は、燃料処理装置１４へ供給される燃料混合物の組成を調べるための分析器（図示せず）を含み得る。しかし、システム１０に分析器を設置することは複雑でありまた高価であり得る。そこで、燃料処理装置１４の作動時に、空燃比並びに水燃比を変更することにより、改質物の品質の最適化を図るようにする。例えば、改質物の品質は、改質物ガス中の水素濃度及びＣＯ濃度のリアルタイム分析により、及び／または、燃料電池システムの改質器やアノード排ガスバーナーの内部の温度分布により推定することができる。
【００３４】
自己熱改質器３０を含む燃料処理装置１４を有する発電システム１０の例が図４に示されている。この発電システム１０は、様々な構成要素を含むことができる。概して、本発明の発電システム１０は、改質サブシステム３２と、燃料電池サブシステム３４を含む。燃料電池サブシステム３４は、高温ＰＥＭ型燃料電池１６と、排ガス燃焼器３６とを含む。排ガス燃焼器３６は、主として、水素と、燃料電池の電気化学的酸化反応に関与しなかった他のガスとを酸化する。燃料電池１６は、燃焼器３６に流体連通されている。これにより、燃料電池１６から排出されたアノード排ガス３８は、燃焼器３６へ供給される。アノード排ガス３８は、燃料電池アノードから発生したガス流である。アノード排ガス３８は、燃料電池反応に関与しなかったガスと、燃料電池１６で反応しなかった水素の一部とを含み得る。空気圧縮機４０は、任意の適切な空気源（例えば大気）から空気を導入して圧縮することができる。空気圧縮機４０は、燃料電池１６及び燃焼器３６に流体連通されており、燃料電池１６及び燃焼器３６へ空気を供給する。燃焼器３６で生成された燃焼生成物４２は、大気中に排出される。あるいは、図４に示すように、燃焼器３６で生成された燃焼生成物４２は、大気中に排出される前に、熱交換させるべく気化器４４へ供給される。
【００３５】
改質サブシステム３２は、燃料供給源２８と、凝縮器４８と、貯水部５０と、気化器４４と、燃料処理装置１４とを含む。燃料処理装置１４は、水性ガスシフト改質器５２と自己熱改質器３０とを含む。自己熱改質器３０は、マイクロリス（microlith）型自己熱改質器またはモノリス（monolith）型自己熱改質器であり得る。空気圧縮機４０は、自己熱改質器３０に流体連通されている。空気圧縮機４０から供給された空気は、燃料供給源２８から供給された１種類以上の燃料２０と共に、自己熱改質器３０へ供給される。
【００３６】
燃料供給源２８は、自己熱改質器３０に流体連通されている。したがって、１種類以上の燃料２０が、自己熱改質器３０へ供給される。自己熱改質器３０へ供給する途中で、１種類以上の燃料２０を凝縮器４８に通して熱交換させることにより、燃料２０を予熱するかまたは気化させ、かつ燃料電池カソード排気６４から水を液化する。その代わりにまたはそれに加えて、１種類以上の燃料２０を気化器４４に通して熱交換させることにより、改質器３０へ導入される前の燃料をさらに加熱する。燃焼器３６で生成された燃焼生成物４２は、熱交換させるべく気化器４４へ供給される。
【００３７】
前記空燃混合気は、自己熱改質器３０によって処理した後、水性ガスシフト改質器５２へ供給される。加えて、水５４が、貯水部５０からシフト改質器５２及び／または自己熱改質器３０へ供給される。燃料処理装置１４で生成された改質物５６は、燃料電池１６へ供給される。冷却空気５８及び圧縮空気６０が、燃料電池１６へ供給される。上述したように、燃料電池１６から排出されたアノード排ガス３８は、排ガス燃焼器３６へ供給される。
【００３８】
燃料処理装置１４へ導入するための水の回収は、様々な方法で実現され得る。図４に示すシステムでは、燃料処理装置１４へ導入するための水の回収は、カソード排ガス６４に含まれている水を凝縮することにより達成することができる。カソード排ガス６４は、燃料電池１６のカソードに存在する枯渇空気及び水であり得る。カソード排ガス６４は、熱交換させるべく凝縮器４８に通される。回収された水６６は、貯水部５０に貯留される。回収された水６６は、後ほど、低温水性ガスシフト改質器５２などの燃料処理装置１４へ供給される。水が回収された後のカソード排ガス６４は、大気中に排出される。
【００３９】
水の回収は、他の適切な方法で行うこともできる。例えば、水の回収は、未処理のカソード排ガス６４を燃料処理装置１４へ導くことにより実現され得る。カソード排ガス６４は、大抵の炭化水素混合物の改質反応を促進することができる量の水及び酸素を含み得る。このような方法は、凝縮器４８を小型化させることができ、かつ燃料電池１６で生成された熱を有益に使用することができるので、システム１０の効率を高めることができる。
【００４０】
本発明の発電システム１０は、データ取得システム６８を含むことができる。データ取得システム６８は、燃料処理装置１４から温度データを取得するため及び／または燃料電池１６から電圧データを取得するために、燃料処理装置１４及び／または燃料電池１６に機能的に接続されている。１以上のセンサ７０が、所望するデータを取得するために、燃料処理装置１４及び／または燃料電池１６に機能的に接続されている。燃料処理装置１４から取得される温度データは、燃料処理装置１４に沿った温度分布であり得る。データ取得システム６８は、制御装置７２に機能的に接続されている。制御装置７２は、ハードウェア、ソフトウェアまたはそれらの任意の組み合わせから構成することができる。一実施形態では、制御装置７２は、データ取得システム６８の一部であり得る。例えば、制御装置７２は、データ取得システム６８にインストールされたソフトウェアであり得る。別の実施形態では、制御装置７２はデータ取得システム６８から離間配置されているが、データ取得システム６８に機能的に接続されている。
【００４１】
制御装置７２は、システム１０の様々な従属部品に機能的に接続することができる。例えば、制御装置７２は、燃料供給源、空気圧縮機及び／または貯水部から燃料処理装置へ供給される流体の流量を制御するために、燃料供給源、空気圧縮機及び／または貯水部に機能的に接続することができる。一実施形態では、データ取得システム６８が取得した燃料電池の電圧データ及び／または改質器の温度データを使用して、改質器に供給される燃料の流量、空気の流量及び／または水の流量を変更することにより、水素変換効率を最適化する。すなわち、前記流量の１つ以上を増加または減少させる。水素改質器に供給される燃料の流量、空気の流量及び／または水の流量の変更は、改質器と燃料電池との間の流体連通を切断、迂回（バイパス）及び／または遮断することなく行われる。その代わりにまたはそれに加えて、制御装置７２を、燃料電池のパワーマネージャ（power manager）に機能的に接続することもできる。制御装置７２は、パワーマネージャを介して、燃料電池から取り出す電流の量を調節することができる。
【００４２】
水素改質器へ供給される燃料の流量、空気の流量及び／または水の流量の制御は、フィードバック制御ループにより達成することができる。このフィードバック制御ループは、可能性のある様々な水素含有燃料またはその混合物についての最適な温度を決定するためのルックアップテーブルに基づくものであり得る。図６は、そのようなフィードバック制御ループの一例を示す。データ取得システム６８は、燃料電池サブシステム及び／または改質器サブシステムからデータを取得することができる。取得されるデータには、空気の流量、水の流量及び／または燃料の流量の現在値が含まれる。燃料処理器に沿った温度分布も取得され得る。このデータに基づいて、データ取得システム６８及び／または制御装置７２は、ルックアップテーブル７３に機能的に接続されている。ルックアップテーブル７３は、燃料処理装置へ供給される様々な所与の空気、水及び／または燃料の流量での、様々な燃料についての温度分布のデータベースを含む。取得した温度分布に最も近い温度分布をルックアップテーブルから求める。これに基づいて、所与の燃料電池出力レベルでの作動を最適化するために、水、空気及び／または燃料の流量を調節する。制御装置７２及び／またはデータ取得システム６８は、燃料供給源、空気圧縮機及び／または貯水部へ信号を送信し、燃料供給源、空気圧縮機及び／または貯水部から燃料処理装置へ供給される燃料、空気及び／または水の流量を調節する。
【００４３】
ルックアップテーブルの代わりにまたはそれに加えて、フィードバック制御ループは、学習済みのニューラルネットワークまたはニューロファジー制御装置に基づくものであり得る。この制御装置は、水素改質器へ供給される燃料の流量、空気の流量及び／または水の流量を最適化するために、前記流量のうちの１つを選択的に変更することができることに留意されたい。
【００４４】
より高度な炭化水素改質器７４を使用したシステムを用いることもできる。そのようなシステムの一例が図５に示されている。このシステム１０は、改質器サブシステム３２と燃料電池サブシステム３４とを含む。燃料電池サブシステム３４は、高温ＰＥＭ型燃料電池１６を含む。送風機７６が、燃料電池１６に流体連通されている。この場合、水の回収は、改質器（図示せず）及び燃焼器７８から排出された排ガスを使用することにより実現することができる。燃料電池１６から排出されたアノード排ガス３８は、燃焼器７８へ供給される。燃焼器７８で生成された熱が、水蒸気改質器７４へ供給される。燃焼器７８で加熱された排ガス３８は、熱交換器８０に通され、熱交換させられる。排ガス３８は、その後、排ガス３８から水を回収することができるウォータトラップ８２に通される。ウォータトラップ８２で回収された水は貯水部５０に貯蔵される。水が抽出された後の排ガス３８は大気中に排出される。
【００４５】
貯水部５０は、水蒸気改質器７４などの燃料処理装置１４に流体連通されている。一実施形態では、貯水部５０から供給された水は熱交換器８０に通され、熱交換器８０と熱交換して水蒸気が生成される。生成された水蒸気は、水蒸気改質器７４へ供給される。
【００４６】
このシステム１０は、データ取得装置６８、センサ７０及び制御装置７２をさらに含むことができる。図４に示した実施形態において説明したデータ取得システム６８、センサ７０及び制御装置７２は、図５の実施形態においても同様に適用可能である。なお、この実施形態では、燃料処理装置１４に空気が供給されないことに留意されたい。したがって、制御装置７２は、燃料処理装置１４へ供給される燃料及び／また水の流量を調節する。
【００４７】
本明細書において説明した発電システムは、大きな利益を提供することができる。例えば、本発明の発電システムは、同等の走行可能距離を有するバッテリー式電気自動車よりも潜在的に低コストで、車両の走行可能距離を大幅に伸ばすことができ。さらに、バッテリーパックと、高温ＰＥＭ型燃料電池と、燃料処理装置とを統合して単一のシステムにすることにより、車両を燃料フレキシブルにすること、すなわちシステムのハードウェアを交換することなく様々な種類の燃料を使用することが可能となる。本発明の燃料電池システムに使用するための適切な燃料の例をいくつか挙げると、ガソリン、ディーゼル油、バイオ由来燃料、メタノール、エタノール、プロパン、ブタン及び天然ガス及び／またはアルコールなどがある。前記燃料は、任意の水素含有燃料、炭化水素燃料、または他の水素燃料供給源（例えばアンモニア）であり得る。可能性のある燃料の例にが、ガソリン、ディーゼル油、Ｅ−８５、Ｅ−１００、メタノール、及びバイオディーゼル油が含まれる。前記燃料は、互いに異なる種類の燃料を組み合わせたものであり得る。これらの燃料は、同時に加えられるか、または互いに異なる時点で別々に加えられる。既存のシステムに対するこのような向上が可能である理由は、本発明の発電システムでは、各構成要素間の相乗的プロセスを増加させることができ、それにより、技術的限界を減少させることができるからである。
【００４８】
本発明の発電システムは、全ての他のシステムと比べて、作動性及び性能を向上させることができる。例えば、本発明の発電システムは、平均的な走行距離を実現（またはほぼ実現）することができるエネルギーをバッテリーに確実に充電することができるようにし、それにより、所定の走行距離を実現するために車両が持ち運ばなければならない燃料の量を減らすことができる。前記バッテリーパックは、車両に必要な電力の大部分を供給することができる。一方、燃料電池は、運転サイクルの平均電力要求または１日当たりの車両の平均電力要求をまかなうことができる。したがって、燃料電池に要求される出力を、純粋な燃料電池車と比べて減少させることができる。燃料電池への電力要求を減少させることにより、燃料電池発電機のコストを減少させることができる。加えて、このことにより、改質器のサイズ及びコストを低減させることができる。
【００４９】
さらに、前記バッテリーは、燃料電池からの出力を変更すること及び改質器からの水素出力を変更することの必要性を最小化するかまたはなくすることができる。改質器の燃料フレキシビリティにおける主な障壁は、様々な燃料混合物を改質することができるようにするための、触媒式改質器及び流体フロー設計の複雑さに起因する。しかしながら、改質器へ供給される水素の流量を単一のまたは一連の個別の量にすることにより、燃料混合物のための反応器の設計を劇的に単純化することができる。このことはまた、改質器におけるターンダウン比の問題を解決することができる。したがって、改質器の触媒ベッドを様々な種類の燃料混合物に適合するように設計することができ、それにより、改質器において過渡温度挙動を生じさせることなく所定の水素流量を実現することができる。改質器の起動プロセスの一部として、ＰＩＤ（比例・積分・微分）制御装置により、単一の所望の水素流量を実現するための正しい反応物流量を識別することができる。また、このプロセスを、全作動サイクルを通じて維持するようにすることができる。加えて、出力の変更をなくすることにより、燃料電池スタック及びそれに関連するシステムの設計の複雑さを低減させることができる。とりわけ、個別の作動条件のために、冷却、反応物フローの設計、排ガス燃焼器の設計、及び水回収サブシステムを最適化することができる。
【００５０】
本発明の燃料電池システムを用いることにより、所定の走行距離を実現するのに必要なバッテリーの数を、バッテリー式電気自動車と比べて減少させることができる。本発明の燃料電池システムのエネルギー量は、車両に貯蔵される燃料のエネルギー量である。液体燃料を使用する改質器及び燃料電池システムは、最新式のバッテリーよりもはるかに高い質量エネルギー密度を有する。そのため、バッテリー式電気自動車の場合よりも軽い車両重量で、所望の走行距離を実現することができる。
【００５１】
高温ＰＥＭ型燃料電池システムの使用は、改質ガス流において許容可能な水素濃度、一酸化炭素濃度及び硫化水素の濃度の範囲を広げ、それにより、前記システムにおける燃料フレキシビリティが可能となる。高温ＰＥＭ型燃料電池は、１２０℃ないし２００℃の間の温度で作動することができる。そのため、改質物の品質の変化が燃料電池に与える影響の大きさは小さくなり、改質物の品質の変化をもたらす燃料の変更により、燃料電池の性能が損なわれたり大きく妨げられたりすることはない。加えて、高温ＰＥＭ型燃料電池システムの使用により、パラジウム薄膜、圧力スイング吸収装置または選択的酸化剤などの高価な水素浄化スキームの必要性をなくすることができる。
【００５２】
本発明の燃料電池システムの存在により、急速充電バッテリーパックにおける複雑さを減少させることができる。バッテリー充電におけるトリクル充電は、時間のかかるものであった。しかし、前記トリクル充電を本発明の燃料電池システムで行うことにより、車両を電力網に接続しなければならない時間を短縮することができる。
【００５３】
電気自動車の車内空調による損失をなくすかまたは減らすことができる。車内空調（ＡＣ及び車内暖房）は、車両エネルギーのかなりの部分を消費する。そのため、車内空調を使用すると、車両の走行可能距離は減少する。本発明の高温ＰＥＭ型燃料電池システム及び改質器は、冬季においては、バッテリーを充電しながら、車内へ熱を提供することができる。駐車中に充電が終了した場合、ユーザは暖房の効いている車両に戻ることができる。夏季の間は、本発明の燃料電池システムは、車両の空調ユニットを作動させるのに必要なエネルギーをまかなうことができる。電気自動車は、最初は、公務員、郵便局または警察に配備され得るので、そのような車両は、車内を長時間に渡って順化させながらアイドリングする能力が必要とされる。本発明の燃料電池の存在は、このことを可能にする。
【００５４】
例示的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者には明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な改変を加えることができ、かつある構成要素を均等物と置き換えることができる。加えて、本発明の範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料に適合するように、本発明の教示に様々な修正を加えることもできる。したがって、本発明は、例示としてのみ与えられた本明細書中に記載された特定の詳細に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内で様々な変更及び修正が可能であることを理解されたい。
【図１】
2013513209.tif 000003
【図２】
2013513209.tif 000004
【図３】
2013513209.tif 000005
【図４】
2013513209.tif 000006
【図５】
2013513209.tif 000007
【図６】
2013513209.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成24年8月2日(2012.8.2)
【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】
燃料フレキシブルな燃料電池システムであって、
少なくとも１種類の水素含有燃料を含む燃料供給源と、
前記燃料供給源に流体連通されており、前記燃料供給源から供給された前記少なくとも１種類の水素含有燃料から水素を生成し、かつ一酸化炭素除去用の選択的酸化剤を使用しない燃料処理装置と、
前記燃料処理装置用のヒータと、
少なくとも１００℃で作動することができ、定常状態下及び非定常状態下で作動し、かつ前記燃料処理装置で生成された水素の供給を受けることができるように前記燃料処理装置に流体連通されている少なくとも１つの高温ＰＥＭ型燃料電池とを含み、
前記燃料電池の定常状態及び非定常状態の両状態において、前記燃料処理装置から前記燃料電池へ水素を供給するようにしたことを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、
前記燃料処理装置が、自己熱改質器、マイクロリス型自己熱改質器及びモノリス型自己熱改質器からなる群より選択されることを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、
前記燃料処理装置が水蒸気改質器であることを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムであって、
前記燃料処理装置が、少なくとも約６００℃で作動することができることを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、
前記燃料電池が、定常状態下で、約１２０℃ないし約２００℃で作動することができることを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムであって、
前記燃料供給源が、複数種類の水素含有燃料を含むことを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムであって、
前記燃料処理装置の温度データを取得すべく前記燃料処理装置に機能的に接続されたデータ取得システムをさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項７に記載のシステムであって、
前記データ取得システムに機能的に接続された制御装置をさらに含み、
前記制御装置により、前記燃料処理装置から取得した温度データに基づいて、前記燃料処理装置へ供給される燃料の流量、空気の流量及び水の流量のうちの少なくとも１つを調節することによって、当該燃料電池システムの効率を最適化するようにしたことを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項７に記載のシステムであって、
前記データ取得システムに機能的に接続された制御装置をさらに含み、
前記制御装置により、前記燃料処理装置から取得した温度データに基づいて、前記燃料電池から取り出す電流の量を調節するようにしたことを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項１に記載のシステムであって、
前記高温ＰＥＭ型燃料電池の電圧データを取得すべく前記高温ＰＥＭ型燃料電池に機能的に接続されたデータ取得システムをさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムであって、
前記データ取得システムに機能的に接続された制御装置をさらに含み、
前記制御装置により、前記高温ＰＥＭ型燃料電池から取得した電圧データに基づいて、前記燃料処理装置へ供給される燃料の流量、空気の流量及び水の流量のうちの少なくとも１つを調節するようにしたことを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムであって、
前記制御装置により、前記燃料処理装置と前記燃料電池との間の流体連通を切断することなく、前記燃料処理装置へ供給される燃料の流量、空気の流量及び水の流量のうちの少なくとも１つを調節するようにしたことを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項１１に記載のシステムであって、
前記燃料処理装置へ供給される燃料の流量、空気の流量及び水の流量のうちの少なくとも１つを決定することができるように、前記制御装置または前記データ取得システムの一方がルックアップテーブル・データベースに機能的に接続されていることを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項１０に記載のシステムであって、
前記データ取得システムに機能的に接続された制御装置をさらに含み、
前記制御装置により、前記高温ＰＥＭ型燃料電池の前記電圧データに基づいて、前記燃料電池から取り出す電流の量を調節するようにしたことを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項２に記載のシステムであって、
前記少なくとも１つの高温ＰＥＭ型燃料電池から排出されたカソード排ガスを前記自己熱改質器へ直接的に導入することにより、前記少なくとも１つの高温ＰＥＭ型燃料電池で生成された水を回収するようにしたことを特徴とするシステム。
【国際調査報告】
2013513209.tif 000009
2013513209.tif 000010