(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流量比を制御するためのシステムであって、
主流（Ｓ）を生成するための上流デバイス（１１）であって、前記主流（Ｓ）は分割位置（Ｑ）において第１の分流（Ｓ１）および第２の分流（Ｓ２）へと分割される、上流デバイス（１１）と、
第１の下流デバイス（１２）であって、前記第１の分流（Ｓ１）は前記第１の下流デバイス（１２）に向けて方向転換され、前記上流デバイス（１１）および前記第１の下流デバイス（１２）の両方は３００℃超の高温において稼働する、第１の下流デバイス（１２）と、
第２の下流デバイス（１３、３３）であって、前記第２の分流（Ｓ２）が前記第２の下流デバイス（１３、３３）に向けて方向転換される第２の下流デバイス（１３、３３）と、
前記主流（Ｓ）、前記第１の分流（Ｓ１）および前記第２の分流（Ｓ２）のうちの２つの差圧をリアルタイムで測定するための測定デバイス（３４）と、
前記測定された差圧に応じて前記主流（Ｓ）に対する前記第１の分流（Ｓ１）の流量比（ＲＲ）をリアルタイムで制御するための制御デバイス（３５）とを備える、システム。
【請求項２】
前記測定デバイス（３４）は、第１の差圧計（３４１）および第２の差圧計（３４２）を備え、前記第１の差圧計（３４１）および前記第２の差圧計（３４２）は同一かつ両方とも前記分割位置（Ｑ）に近接して定置される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の差圧計（３４１）は、前記主流（Ｓ）の差圧をリアルタイムで測定するために前記上流デバイス（１１）と前記分割位置（Ｑ）との間に位置し、前記第２の差圧計（３４２）は、前記第１の分流（Ｓ１）の差圧をリアルタイムで測定するために前記第１の下流デバイス（１２）と前記分割位置（Ｑ）との間に位置する、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記第１の差圧計（３４１）は、前記第２の分流（Ｓ２）の差圧をリアルタイムで測定するために前記分割位置（Ｑ）と前記第２の下流デバイス（１３、３３）との間に位置し、前記第２の差圧計（３４２）は、前記第１の分流（Ｓ１）の差圧をリアルタイムで測定するために前記第１の下流デバイス（１２）と前記分割位置（Ｑ）との間に位置する、請求項２記載のシステム。
【請求項５】
前記第１の差圧計（３４１）に対する前記第２の差圧計（３４２）用の較正された係数（Ｋ）が予め保存された流量比計算機（３６）をさらに備え、前記流量比計算機（３６）は、前記リアルタイムで測定された差圧と前記較正された係数（Ｋ）とに基づいて前記流量比を計算するためのものである、請求項２記載のシステム。
【請求項６】
前記制御デバイス（３５）は、コントローラ（３５１）と流量を調整するための調整可能なバルブ（３５２）とを備え、前記コントローラ（３５１）は、前記流量比計算機（３６）から計算された前記流量比をリアルタイムで受信し、前記計算された流量比とユーザ定義の目標流量比とを比較し、比較結果に基づいて前記調整可能なバルブ（３５２）の開口位置を制御するためのものである、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記調整可能なバルブ（３５２）は、前記第２の分流（Ｓ２）の流量を調整するために前記分割位置（Ｑ）と前記第２の下流デバイス（１３、３３）との間に配置されるか、または、前記調整可能なバルブ（３５２）は、前記第１の分流（Ｓ１）および前記第２の分流（Ｓ２）の流量を調整するために前記分割位置（Ｑ）に配置される三方バルブである、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の分流（Ｓ１）の少なくとも一部は、前記第１の分流（Ｓ１）が前記第１の下流
デバイス（１２）を通った後に前記上流デバイス（１１）へと戻り、かつ前記流量比は、リサイクル流量比である、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記第１の下流デバイス（１２）は、排ガス生成用のアノード（３２１）を備える燃料電池（３２）であり、前記アノード（３２１）は入口（３２１１）および出口（３２１２）を備え、前記上流デバイス（１１）は、前記燃料電池（３２）の前記出口（３２１２）から出る前記排ガスと燃料とを混合して前記主流（Ｓ）として改質された流れを生成するための燃料改質器（３１）である、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記第２の下流デバイス（１３、３３）は、
前記第２の分流（Ｓ２）から出る熱を除去するための冷却器（３３１）と、
前記冷却された第２の分流（Ｓ２）に応じて駆動される外部または内部燃焼機関（３３２）を備えるボトミングサイクルとを備える、請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
前記上流デバイス（１１）は、前記主流（Ｓ）としての排ガス生成用のアノード（３２１）を備える燃料電池（３２）であって、前記アノード（３２１）は入口（３２１１）および出口（３２１２）を備え、前記第１の下流デバイス（１２）は、前記燃料電池（３２）の前記出口（３２１２）から出る前記排ガスの前記第１の分流（Ｓ１）と燃料とを混合して改質された流れを生成するための燃料改質器（３１）である、請求項８記載のシステム。
【請求項１２】
請求項１記載のシステムを用いて流量比を制御するための方法であって、
ａ１）前記主流（Ｓ）、前記第１の分流（Ｓ１）および前記第２の分流（Ｓ２）のうちの２つのリアルタイムの差圧を測定するステップと、
ａ２）前記測定された差圧を用いて前記主流（Ｓ）に対する前記第１の分流（Ｓ１）の流量比（ＲＲ）をリアルタイムで計算するステップと、
ａ３）前記計算された流量比とユーザ定義の目標流量比とを比較するステップと、
ａ４）前記比較結果を用いて前記第１の分流（Ｓ１）および前記第２の分流（Ｓ２）のうちの少なくとも１つの流量をリアルタイムで制御するステップとを含む、方法。
【請求項１３】
前記測定デバイス（３４）用の較正された係数（Ｋ）を予め決定するステップをさらに含み、前記ステップａ２）は、前記測定された差圧および前記較正された係数（Ｋ）を用いて、前記主流（Ｓ）に対する前記第１の分流（Ｓ１）の流量比（ＲＲ）をリアルタイムで計算するステップを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記測定デバイス（３４）は、第１の差圧計（３４１）および第２の差圧計（３４２）を備え、前記第１の差圧計（３４１）および前記第２の差圧計（３４２）は同一かつ両方とも前記分割位置（Ｑ）に近接して定置され、前記測定デバイス（３４）用に前記較正された係数（Ｋ）を予め決定するステップは、
可変ガス供給源（８１）を準備するステップと、
前記可変ガス供給源（８１）をマス流量コントローラ（８２）に接続するステップと、
前記マス流量コントローラ（８２）を前記第１の差圧計（３４１）および前記第２の差圧計（３４２）に接続するステップと、
前記マス流量コントローラ（８２）のガス流量を変更するステップと、
前記第１の差圧計（３４１）の第１の差圧値および前記第２の差圧計（３４２）の第２の差圧値をそれぞれ記録するステップと、
以下の式：
【数１】
0006749748.tif 000007
（ここで、Ｆは前記マス流量コントローラ（８２）の前記ガス流量を表し、Ｋは前記較正された係数を表し、ＤＰc1は前記第１の差圧計（３４１）の前記第１の差圧値を表し、ＤＰc2は前記第２の差圧計（３４２）の第２の差圧値を表し、Ｋ1は前記第１の差圧計（３４１）の第１の係数を表し、Ｋ2は前記第２の差圧計（３４２）の第２の係数を表し、ρcは前記可変ガス供給源（８１）のガス密度を表す）
を用いて前記較正された係数（Ｋ）を決定するステップとを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記ステップａ１）は、
前記上流デバイス（１１）と前記分割位置（Ｑ）との間に位置する前記第１の差圧計（３４１）を用いて、前記主流（Ｓ）の差圧を測定するステップと、
前記第１の下流デバイス（１２）と前記分割位置（Ｑ）との間に位置する前記第２の差圧計（３４２）を用いて、前記第１の分流（Ｓ１）の差圧を測定するステップとを含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記ステップａ２）は、
前記主流（Ｓ）に対する前記第１の分流（Ｓ１）の流量比（ＲＲ）を以下の式：
【数２】
0006749748.tif 000008
（ここでＲＲは前記流量比を表し、ＤＰ1は前記主流（Ｓ）の前記差圧を表し、ＤＰ2は前記第１の分流（Ｓ１）の前記差圧を表す）
を用いて計算するステップを含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記ステップａ１）は、
前記分割位置（Ｑ）と前記第２の下流デバイス（１３、３３）との間に位置する前記第１の差圧計（３４１）を用いて、前記第２の分流（Ｓ２）の差圧を測定するステップと、
前記第１の下流デバイス（１２）と前記分割位置（Ｑ）との間に位置する前記第２の差圧計（３４２）を用いて、前記第１の分流（Ｓ１）の差圧を測定するステップとを含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
前記ステップａ２）は、
前記主流（Ｓ）に対する前記第１の分流（Ｓ１）の流量比（ＲＲ）を以下の式：
【数３】
0006749748.tif 000009
（ここでＲＲは前記流量比を表し、ＤＰ1は前記第２の分流（Ｓ２）の前記差圧を表し、ＤＰ2は前記第１の分流（Ｓ１）の前記差圧を表す）
を用いて計算するステップを含む、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記制御デバイス（３５）は、コントローラ（３５１）と流量を調整するための調整可能なバルブ（３５２）とを備え、前記ステップａ４）は、
前記コントローラ（３５１）が前記目標流量比と前記計算された流量比（ＲＲ）との間の誤差に基づいて前記調整可能なバルブ（３５２）に対して制御信号を送信するステップと、
前記調整可能なバルブ（３５２）が前記コントローラ（３５１）から前記制御信号を受信して前記調整可能なバルブ（３５２）の開口位置を調整することにより、前記第１の分流（Ｓ１）および前記第２の分流（Ｓ２）のうちの少なくとも１つの流量を制御するステップとを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項２０】
リサイクル流量比を制御するためのシステムであって、
排ガス生成用のアノード（３２１）を備える燃料電池（３２）であって、前記アノード（３２１）は入口（３２１１）および出口（３２１２）を備える、燃料電池（３２）と、
前記燃料電池（３２）の前記出口（３２１２）から出る前記排ガスと燃料とを混合して改質された流れを生成するための燃料改質器（３１）であって、前記改質された流れは分割位置（Ｑ）において第１の分流（Ｓ１）および第２の分流（Ｓ２）へと分割され、前記第１の分流（Ｓ１）は電力生成のために前記燃料電池（３２）の前記アノード（３２１）の前記入口（３２１１）へと戻る、燃料改質器（３１）と、
前記第２の分流（Ｓ２）から出る熱を除去するための冷却器（３３１）と、
前記冷却された第２の分流（Ｓ２）に応じて駆動される外部または内部燃焼機関（３３２）を含むボトミングサイクルと、
主流（Ｓ）、前記第１の分流（Ｓ１）および前記第２の分流（Ｓ２）のうちの２つの差圧をリアルタイムで測定するための測定デバイス（３４）と、
前記測定された差圧に応じて前記主流（Ｓ）に対する前記第１の分流（Ｓ１）の流量比（ＲＲ）をリアルタイムで制御するための制御デバイス（３５）とを備える、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して高温用途に関し、より詳細には高温環境において流量比を制御するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温環境では、（例えば流体またはガスが複数の構成成分からなる場合）流体またはガスのプロパティを確認することが困難であるが、正確な流量分割が要求される場合、流量計を用いて個々の分割される流れの流量を測定することは通常不可能であり、これは複雑な流体またはガスのプロパティに起因するものである。高温環境下であるため、複雑なプロパティを有する流体またはガスの濃度は、その温度、圧力および組成に左右され、かつその温度、圧力および組成による流体またはガスの変化が、今度は流体またはガスの流量に対して重要な影響を有する。したがってこのような状況において流量比を決定することは困難である。
【０００３】
例えば、高温燃料電池システム、特にガスタービンまたはガスエンジンを備えるハイブリッドシステムでは、迅速な負荷変化およびシステム効率の最適化が重要な問題の１つである。高温ハイブリッド燃料電池システムにおいてリサイクル流量を制御する従来の方法は、一般にブロワまたはコンプレッサ等のシステムのガス駆動デバイスを調整することによるものである。しかしながら、これは高温ハイブリッド燃料電池システムのリサイクルループにおいて圧力を再分配する故に低速である。さらに、燃料電池のアノード入口における差圧の変動は、燃料電池の耐性および寿命にさえ影響し得、リサイクル流量は、燃料電池の燃料利用およびシステム効率にさえ影響し得る。しかし従来の高温ハイブリッド燃料電池システムの稼働では、リサイクル流量比のリアルタイムの測定および制御を欠く故に、燃料電池のアノード入口における差圧とリサイクル流量とを別々に制御できない。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の実施形態の一態様では、流量比を制御するためのシステムが提供される。流量比を制御するためのシステムは、主流を生成するための上流デバイスであって、主流は分割位置において第１の分流および第２の分流へと分割される、上流デバイスと、第１の下流デバイスであって、第１の分流はこの第１の下流デバイスに向けて方向転換され、上流デバイスおよび第１の下流デバイスの両方は３００℃超の高温において稼働する、第１の下流デバイスと、第２の下流デバイスであって、第２の分流がこの第２の下流デバイスに向けて方向転換される第２の下流デバイスと、主流、第１の分流および第２の分流のうちの２つの差圧を測定するための測定デバイスと、測定された差圧に応じて主流に対する第１の分流の流量比をリアルタイムで制御するための制御デバイスとを備える。
【０００５】
本発明の実施形態の別の態様では、上記システムを用いて流量比を制御するための方法も提供される。流量比を制御するための方法は、ａ１）主流、第１の分流および第２の分流のうちの２つのリアルタイムの差圧を測定するステップと、ａ２）測定された差圧を用いて主流に対する第１の分流の流量比をリアルタイムで計算するステップと、ａ３）計算された流量比とユーザ定義の目標流量比とを比較するステップと、ａ４）比較結果を用いて第１の分流および第２の分流のうちの少なくとも１つの流量をリアルタイムで制御するステップとを含む。
【０００６】
本発明の実施形態のまた別の態様では、リサイクル流量比を制御するためのシステムも提供される。リサイクル流量比を制御するためのシステムは、排ガス生成用のアノードを備える燃料電池であって、このアノードは入口および出口を備える、燃料電池と、燃料電池の出口から出る排ガスと燃料とを混合して改質された流れを生成するための燃料改質器であって、改質された流れは分割位置において第１の分流および第２の分流へと分割され、第１の分流は電力生成のために燃料電池のアノードの入口へと戻る、燃料改質器と、第２の分流から出る熱を除去するための冷却器と、冷却された第２の分流に応じて駆動される外部または内部燃焼機関を含むボトミングサイクルと、主流、第１の分流および第２の分流のうちの２つの差圧を測定するための測定デバイスと、測定された差圧に応じて主流に対する第１の分流の流量比をリアルタイムで制御するための制御デバイスとを備える。
【０００７】
これらのおよび他の本開示の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことでよりよく理解されるであろう。図面中、類似の符号は図面を通して類似の部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】高温システムの概略ブロック図である。
【図２】高温リサイクルシステムの概略ブロック図である。
【図３】ある実施形態による高温燃料電池システムの概略ブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による、図３に基づいて流量比を制御するためのシステムの概略ブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施形態による、図３に基づいて流量比を制御するためのシステムの概略ブロック図である。
【図６】別の実施形態による高温燃料電池システムの概略ブロック図である。
【図７】本発明のある実施形態による流量比を制御するための方法のフローチャートである。
【図８】本発明の測定デバイス用の較正された係数の決定に使用される概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示の実施形態を、添付の図面を参照して以下に説明する。以下の説明では、不必要な詳細で本開示を不明瞭にすることを避けるために、公知の機能または構造は詳細に説明されない。
【００１０】
別途定義されない限り、本明細書中で使用される技術的および科学的用語は、本開示が属する技術の当業者によって共通に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書中で使用される「第１の（ｆｉｒｓｔ）」、「第２の（ｓｅｃｏｎｄ）」等の用語は、いずれの順序、数量または重要性をも表すものではなく、むしろ１つの要素を別の要素と区別するために使用される。また、用語「ある（ａおよびａｎ）」は、数量の限定を表すものではなく、むしろ言及された項目のうちの少なくとも１つが存在することを表すものである。用語「または（ｏｒ）」は、列挙された項目の一方または全てを含むことおよび意味することを意味する。「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」およびこれらの変化形の本明細書中での使用は、これ以降に列挙される項目およびその均等物ならびに追加の項目を包含することを意味する。
【００１１】
図１は高温システムのある実施形態の概略ブロック図である。図１に示すように、実施形態による高温システム１は、上流デバイス１１、第１の下流デバイス１２、および第２の下流デバイス１３を含む。上流デバイス１１および第１の下流デバイス１２の両方は、３００℃超の高温において稼働する。上流デバイス１１は主流Ｓを生成し、この主流Ｓは分割位置Ｑにおいて第１の分流Ｓ１および第２の分流Ｓ２へと分割される。主流Ｓは、例えば主流Ｓが複数の構成成分を有する流体またはガスであり得るような、複雑な流体またはガスのプロパティを有する。第１の分流Ｓ１は、第１の下流デバイス１２に向けて方向転換され、第１の下流デバイス１２内で相応に処理される。第２の分流Ｓ２は、第２の下流デバイス１３に向けて方向転換され、第２の下流デバイス１３内で相応に処理される。
【００１２】
高温システム１の構成要素に基づいて、高温システム１内において主流Ｓに対する第１の分流Ｓ１の流量比ＲＲをリアルタイムで測定および制御するために、流量比を制御するためのシステムは、測定デバイスおよび制御デバイス（両方とも図１には示されていない）をさらに含む。測定デバイスは、主流Ｓ、第１の分流Ｓ１および第２の分流Ｓ２のうちの２つのリアルタイムの差圧ＤＰ1、ＤＰ2を測定する。制御デバイスは、測定された差圧ＤＰ1、ＤＰ2に応じて主流Ｓに対する第１の分流Ｓ１の流量比ＲＲをリアルタイムで制御する。
【００１３】
図７は、本発明のある実施形態による上記システムを用いて流量比を制御するための方法のフローチャートである。図７に示すように、本発明のある実施形態による上記システムを用いて流量比を制御するための方法は、以下のステップを含む。
【００１４】
ブロックｓ１において、上記システムにおいて、主流Ｓ、第１の分流Ｓ１および第２の分流Ｓ２のうちの２つのリアルタイムの差圧ＤＰ1、ＤＰ2を測定するステップ。
【００１５】
ブロックｓ２において、測定された差圧ＤＰ1、ＤＰ2を用いて、主流Ｓに対する第１の分流Ｓ１の流量比ＲＲをリアルタイムで計算するステップ。
【００１６】
ブロックｓ３において、計算された流量比ＲＲとユーザ定義の目標流量比とを比較するステップ。
【００１７】
ブロックｓ４において、比較結果を用いて第１の分流Ｓ１および第２の分流Ｓ２のうちの少なくとも１つの流量をリアルタイムで制御するステップ。
【００１８】
一実施形態では、図７に示すように、流量比を制御するための方法は以下のステップをさらに含む。
【００１９】
ブロックｓ５において、測定デバイス３４用の較正された係数Ｋを予め決定するステップ。したがって、ブロックｓ２において、測定された差圧ＤＰ1、ＤＰ2および較正された係数Ｋを用いて、主流Ｓに対する第１の分流Ｓ１の流量比ＲＲをリアルタイムで計算する。
【００２０】
例として、高温システム１は高温リサイクルシステムであり得る。図２は高温リサイクルシステムのある実施形態の概略ブロック図である。図２に示すように、図１の高温システム１と同様に、実施形態による高温リサイクルシステム２は、上流デバイス１１、第１の下流デバイス１２、および第２の下流デバイス１３を含む。上流デバイス１１および第１の下流デバイス１２の両方は、３００℃超の高温において稼働する。上流デバイス１１は主流Ｓを生成し、この主流Ｓは分割位置Ｑにおいて第１の分流Ｓ１および第２の分流Ｓ２へと分割される。主流Ｓは、例えば主流Ｓが複数の構成成分を有する流体またはガスであり得るような、複雑な流体またはガスのプロパティを有する。第１の分流Ｓ１は、第１の下流デバイス１２に向けて方向転換され、第１の下流デバイス１２内で相応に処理される。第２の分流Ｓ２は、第２の下流デバイス１３に向けて方向転換され、第２の下流デバイス１３内で相応に処理される。
【００２１】
しかしながら図２を参照すると、図１の高温システム１とは異なり、図２の高温リサイクルシステム２では、第１の分流Ｓ１の少なくとも一部は、第１の分流Ｓ１が第１の下流デバイス１２を通った後に、処理のために上流デバイス１１へと戻り、かつ主流Ｓに対する第１の分流Ｓ１の流量比ＲＲは、主流Ｓに対する第１の分流Ｓ１のリサイクル流量比ＲＲである。
【００２２】
図１の高温システム１と同様に、高温リサイクルシステム２の構成要素に基づいて、高温リサイクルシステム２内においてリサイクル流量比ＲＲをリアルタイムに測定および制御するために、流量比を制御するためのシステムは、測定デバイスおよび制御デバイス（両方とも図２には示されていない）をさらに含む。測定デバイスは、主流Ｓ、第１の分流Ｓ１および第２の分流Ｓ２のうちの２つのリアルタイムの差圧ＤＰ1、ＤＰ2を測定する。制御デバイスは、測定された差圧ＤＰ1、ＤＰ2に応じてリサイクル流量比ＲＲをリアルタイムで制御する。
【００２３】
これ以降、流量比を制御するためのシステムおよび方法を詳細に説明する目的のために、高温システムの例として高温燃料電池システムを取り上げる。
【００２４】
図３は、ある実施形態による高温燃料電池システムの概略ブロック図である。図３に示すように、ある実施形態による高温燃料電池システム３は、燃料改質器３１、燃料電池３２、冷却器３３１、および外部または内部燃焼機関３３２を含むボトミングサイクルを含む。例えば固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ：ｓｏｌｉｄ  ｏｘｉｄｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）である燃料電池３２は、電気化学的に燃料を酸化させるためのアノード３２１と、電気化学的に酸素を還元するためのカソード３２２とを含む。アノード３２１は、入口３２１１および出口３２１２を含む。
【００２５】
図３を参照すると、分割位置Ｑは、燃料改質器３１の出口に位置する。燃料改質器３１は、燃料電池３２のアノード３２１の出口３２１２から出る排ガスと燃料とを混合し、燃料および排ガスは燃料改質器３１内で改質されて、改質された流れＳを主流として生成する。燃料は、例えばバイオガス、天然ガス、液化石油ガス、メタン、エタン、プロパン、メタノール、エタノール、合成ガス、および他の炭化水素燃料であり得る。燃料改質器３１内において、炭化水素燃料は改質反応により水素（Ｈ2）および一酸化炭素（ＣＯ）へと改質され、同時に一酸化炭素および蒸気（Ｈ2Ｏ）も形質転換反応により二酸化炭素（ＣＯ2）および水素へと形質転換される。改質された流れＳは複数の構成成分を含み、例えば改質された流れＳは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン（ＣＨ4）、蒸気等の混合ガス組成を有する。改質された流れＳは分割位置Ｑにおいて第１の分流Ｓ１および第２の分流Ｓ２へと分割される。第１の分流Ｓ１は、高効率の電力生成のために、燃料電池３２のアノード３２１の入口３２１１に向けて方向転換される。典型的には、燃料電池３２は、水素および酸素を水へと変換して電気と熱とを生成する。副生物の水は、高温稼働において蒸気として燃料電池３２の出口３２１２から排出してよい。第２の分流Ｓ２は、冷却器３３１に向けて方向転換される。冷却器３３１は第２の分流Ｓ２から得た熱を除去し、冷却された第２の分流に応じて電力生成の効率向上を提供するために外部または内部燃焼機関３３２が駆動されて追加の電気を生成し、および余分な部分は排気として外部または内部燃焼機関３３２から排出される。燃料改質器３１内の炭化水素の蒸気改質反応は、典型的には吸熱であり、したがって、改質は典型的には燃料電池３２の電気化学的な発熱反応により生成された熱を利用してよい。
【００２６】
図３の高温燃料電池システム３では、燃料改質器３１は上流デバイスとして機能し、燃料電池３２は第１の下流デバイスとして機能し、冷却器３３１および外部または内部燃焼機関３３２を含むボトミングサイクルは、第２の下流デバイス３３として一緒に機能する。
【００２７】
図４は、本発明の第１の実施形態による、図３に基づいて流量比を制御するためのシステムの概略ブロック図である。図４に示すように、図３の高温燃料電池システム３の構成要素に基づいて、本発明の第１の実施形態による流量比を制御するためのシステム３ａは、測定デバイス３４および制御デバイス３５をさらに含む。測定デバイス３４は、主流Ｓ、第１の分流Ｓ１および第２の分流Ｓ２のうちの２つの差圧を測定する。制御デバイス３５は、測定された差圧に応じて主流Ｓに対する第１の分流Ｓ１の流量比をリアルタイムで制御する。測定デバイス３４は、第１の差圧計３４１および第２の差圧計３４２を備え、これらの差圧計は同一かつ両方とも分割位置Ｑに近接して定置される。一実施形態では、第１の差圧計３４１および第２の差圧計３４２は、オリフィス流量計であってよい。別の実施形態では、第１の差圧計３４１および第２の差圧計３４２は、ベンチュリ計であってもよい。第１の差圧計３４１は、主流Ｓの差圧ＤＰ1を測定するために上流デバイスとしての燃料改質器３１と分割位置Ｑとの間に位置し、第２の差圧計３４２は、第１の分流Ｓ１の差圧ＤＰ2を測定するために第１の下流デバイスとしての燃料電池３２と分割位置Ｑとの間に位置する。
【００２８】
図４を参照すると、流量比を制御するためのシステム３ａは、流量比計算機３６をさらに含む。測定デバイス３４用の較正された係数Ｋ（即ち、第１の差圧計３４１に対する第２の差圧計３４２用の較正された係数Ｋ）を、流量比計算機３６内に予め保存する。流量比計算機３６は、測定された差圧と較正された係数とに基づいて流量比を計算する。
【００２９】
図８は、測定デバイス３４用の較正された係数Ｋを決定する際に使用する概略図である。図８に示すように、可変ガス供給源８１をまず準備する。可変ガス供給源８１をマス流量コントローラ８２に接続し、続いてこのマス流量コントローラ８２を測定デバイス３４の第１の差圧計３４１および第２の差圧計３４２に接続する。マス流量コントローラ８２のガス流量を変更し、続いて第１の差圧計３４１の第１の差圧値ＤＰc1および第２の差圧計３４２の第２の差圧値ＤＰc2をそれぞれ記録する。最後に、測定デバイス３４用の較正された係数Ｋを、以下の式を用いて決定する：
【００３０】
【数１】
0006749748.tif 000002
【００３１】
ここで、Ｆはマス流量コントローラ８２のガス流量を表し、Ｆ１は第１の差圧計３４１のガス流量を表し、Ｆ２は第２の差圧計３４２のガス流量を表し、Ｋ1は第１の差圧計３４１の第１の係数を表し、Ｋ2は第２の差圧計３４２の第２の係数を表し、ρcは可変ガス供給源８１のガス密度を表す。
【００３２】
主流Ｓに対する第１の分流Ｓ１の流量比ＲＲを以下の式を用いて計算する：
【００３３】
【数２】
0006749748.tif 000003
【００３４】
ここでρ1は第１の分流Ｓ１の密度を表し、ρは主流Ｓの密度を表す。
【００３５】
式（５）〜（８）から、主流Ｓに対する第１の分流Ｓ１の流量比ＲＲを以下のように得ることができる：
【００３６】
【数３】
0006749748.tif 000004
【００３７】
制御デバイス３５は、コントローラ３５１と、流量を調整するための調整可能なバルブ３５２とを含む。コントローラ３５１は、流量比計算機３６から計算された流量比ＲＲを受信し、計算された流量比ＲＲとユーザ定義の目標流量比とを比較し、比較結果に基づいて調整可能なバルブ３５２の開口位置を制御する。詳細としては、コントローラ３５１は、目標流量比と計算された流量比ＲＲとの間の誤差に基づいて調整可能なバルブ３５２に対して制御信号を送信し、調整可能なバルブ３５２はコントローラ３５１から制御信号を受信してその開口位置を調整することにより、第１の分流Ｓ１および第２の分流Ｓ２のうちの少なくとも１つの流量を制御する。一実施形態では、図４に示すように、調整可能なバルブ３５２は、第２の分流Ｓ２の流量を調整するために分割位置Ｑと第２の下流デバイス３３との間に配置される。調整可能なバルブ３５２はこのような配置に限定されず、例えば別の実施形態では、調整可能なバルブ３５２は、第１の分流Ｓ１および第２の分流Ｓ２の流量を調整するために分割位置Ｑに配置される三方バルブであってもよい。
【００３８】
図５は、本発明の第２の実施形態による、図３に基づいて流量比を制御するためのシステムの概略ブロック図である。図５に示すように、図３の高温燃料電池システム３の構成要素に基づいて、本発明の第２の実施形態による流量比を制御するためのシステム３ｂは、測定デバイス３４および制御デバイス３５をさらに含む。測定デバイス３４は、主流Ｓ、第１の分流Ｓ１および第２の分流Ｓ２のうちの２つの差圧を測定する。制御デバイス３５は、測定された差圧に応じて主流Ｓに対する第１の分流Ｓ１の流量比をリアルタイムで制御する。測定デバイス３４は、第１の差圧計３４１および第２の差圧計３４２を含み、これらの差圧計は同一かつ両方とも分割位置Ｑに近接して定置される。一実施形態では、第１の差圧計３４１および第２の差圧計３４２は、オリフィス流量計であってよい。別の実施形態では、第１の差圧計３４１および第２の差圧計３４２は、ベンチュリ計であってもよい。第１の差圧計３４１は、第２の分流Ｓ２の差圧ＤＰ1を測定するために分割位置Ｑと第２の下流デバイス３３との間に位置し、第２の差圧計３４２は、第１の分流Ｓ１の差圧ＤＰ2を測定するために第１の下流デバイスとしての燃料電池３２と分割位置Ｑとの間に位置する。
【００３９】
図５を参照すると、流量比を制御するためのシステム３ｂは、流量比計算機３６をさらに含む。測定デバイス３４用の較正された係数Ｋ（即ち、数式（４）に示すように、第１の差圧計３４１に対する第２の差圧計３４２用の較正された係数Ｋ）を、流量比計算機３６内に予め保存する。測定デバイス３４用の較正された係数Ｋは、図８を参照して上記の方法を用いて決定できる。流量比計算機３６は、測定された差圧ＤＰ1、ＤＰ2と較正された係数Ｋとに基づいて流量比ＲＲを計算する。
【００４０】
主流Ｓに対する第１の分流Ｓ１の流量比ＲＲを以下の式を用いて計算する：
【００４１】
【数４】
0006749748.tif 000005
【００４２】
ここでρ2は第１の分流Ｓ１の密度を表し、ρ1は第２の分流Ｓ２の密度を表す。
【００４３】
式（１０）〜（１３）から、主流Ｓに対する第１の分流Ｓ１の流量比ＲＲを以下のように得ることができる：
【００４４】
【数５】
0006749748.tif 000006
【００４５】
制御デバイス３５は、コントローラ３５１と、流量を調整するための調整可能なバルブ３５２とを含む。コントローラ３５１は、流量比計算機３６から計算された流量比を受信し、計算された流量比とユーザ定義の目標流量比とを比較し、比較結果に基づいて調整可能なバルブ３５２の開口位置を制御する。詳細としては、コントローラ３５１は、目標流量比と計算された流量比ＲＲとの間の誤差に基づいて調整可能なバルブ３５２に対して制御信号を送信し、調整可能なバルブ３５２はコントローラ３５１から制御信号を受信してその開口位置を調整することにより、第１の分流Ｓ１および第２の分流Ｓ２のうちの少なくとも１つの流量を制御する。一実施形態では、図５に示すように、調整可能なバルブ３５２は、第１の分流Ｓ１および第２の分流Ｓ２の流量を調整するために分割位置Ｑに配置される三方バルブであってよい。調整可能なバルブ３５２はこのような配置に限定されず、例えば別の実施形態では、調整可能なバルブ３５２は、第２の分流Ｓ２の流量を調整するために分割位置Ｑと第２の下流デバイス３３との間に配置してもよい。
【００４６】
本発明の流量比を制御するためのシステム３ａ、３ｂでは、測定デバイス３４の第１の差圧計３４１および第２の差圧計３４２のこのような設計により、流れの温度、圧力および組成の変化に左右されない流量比ＲＲの測定となり、流れの複雑なプロパティは、流量比ＲＲの測定に影響を及ぼさないので、流量比ＲＲを正確に測定できる。さらに、流量比ＲＲの正確な測定は、システム制御を最適化できる。燃料電池３２の効率および寿命も約束でき、これによりシステムの総効率が増大し、稼働コストを低減させることになる。
【００４７】
図６は、別の実施形態による高温燃料電池システムの概略ブロック図である。図６に示すように、図３の高温燃料電池システム３と同様に、別の実施形態による高温燃料電池システム４もまた、燃料改質器３１、燃料電池３２、冷却器３３１、および外部または内部燃焼機関３３２を備えるボトミングサイクルを含む。燃料電池３２は、電気化学的に燃料を酸化させるためのアノード３２１と、電気化学的に酸素を還元するためのカソード３２２とを含む。アノード３２１は、入口３２１１および出口３２１２を含む。
【００４８】
しかしながら図６を参照すると、図３の高温燃料電池システム３とは異なり、図６の高温燃料電池システム４では、分割位置Ｑは燃料改質器３１の出口ではなく燃料電池３２のアノード３２１の出口３２１２に位置し、燃料電池３２のアノード３２１の出口３２１２から生成される排ガスＳは主流とみなされる。燃料電池３２のアノード３２１の出口３２１２から生成される排ガスＳは、分割位置Ｑにおいて第１の分流Ｓ１および第２の分流Ｓ２へと分割される。燃料改質器３１は、燃料電池３２のアノード３２１の出口３２１２から出る排ガスＳの第１の分流Ｓ１と燃料とを混合し、改質された流れを生成する。改質された流れは、続いて高効率の電力生成のために燃料電池３２の入口３２１１に戻る。燃料は、例えばバイオガス、天然ガス、液化石油ガス、メタン、エタン、プロパン、メタノール、エタノール、合成ガス、および他の炭化水素燃料であり得る。排ガスＳの第２の分流Ｓ２は、冷却器３３１に向けて方向転換される。冷却器３３１は第２の分流Ｓ２から得た熱を除去し、冷却された第２の分流に応じて電力生成の効率向上を提供するために外部または内部燃焼機関３３２が駆動されて追加の電気を生成する。
【００４９】
図６の高温燃料電池システム４では、燃料電池３２は上流デバイスとして機能し、燃料改質器３１は第１の下流デバイスとして機能し、冷却器３３１および外部または内部燃焼機関３３２を含むボトミングサイクルは、第２の下流デバイス３３として一緒に機能する。
【００５０】
図４および図５に示す、第１の差圧計３４１および第２の差圧計３４２を含む測定デバイス３４、コントローラ３５１および調整可能なバルブ３５２を含む制御デバイス３５、ならびに流量比計算機３６、ならびにこれらの均等の代替物の配置は、図６の高温燃料電池システム４に対して同様に適用できる。よって、記述を簡略化するために同様の説明は本明細書では省略する。
【００５１】
また、本発明の流量比を制御するためのシステムは、図４および図５のシステム３ａおよび３ｂに限定されるべきものでもなく、実際に本発明の流量比を制御するためのシステムおよび方法は、図１の高温システム１と同様のいずれの正しい高温システムに対しても適用できる。
【００５２】
本発明の流量比を制御するためのシステムおよび方法は、流れの温度、圧力および組成変化のための補正の必要性を排除でき、これは圧力損失の低減、エネルギーコストの低減、迅速な応答、容易な保守およびより容易な拡張という利点を有する。本発明の流量比を制御するためのシステムおよび方法は、流体またはガスのプロパティを確認することが難しいが正確なフロー分割が要求される場合であれば、いずれの高温システムに対しても適用でき、高いエネルギー効率、高い信頼性および柔軟性、低い稼働コストの観点で、高温システムを実現できる。
【００５３】
典型的な実施形態において本開示を示し、説明してきたが、本開示の趣旨から多少なりとも逸脱することなく様々な変更および置換を行うことができるので、本開示は示した詳細に限定されることを意図したものではない。このように本明細書に開示された開示のさらなる変更例および均等物は、慣例的な実験のみを用いて当業者に想起され得る。また、全てのこのような変更例および均等物は以下の請求項に定義されるような本開示の趣旨および範囲内のものであると考えられる。
【符号の説明】
【００５４】
１  高温システム
２  高温リサイクルシステム
３、４  高温燃料電池システム
３ａ、３ｂ  システム
１１  上流デバイス
１２  第１の下流デバイス
１３、３３  第２の下流デバイス
３１  燃料改質器
３２  燃料電池
３４  測定デバイス
３５  制御デバイス
３６  流量比計算機
３２１  アノード
３２１１  入口
３２１２  出口
３２２  カソード
３３１  冷却器
３３２  外部または内部燃焼機関
３４１  第１の差圧計
３４２  第２の差圧計
３５１  コントローラ
３５２  調整可能なバルブ
８１  可変ガス供給源
８２  マス流量コントローラ
Ｆ、Ｆ１、Ｆ２  ガス流量
ＲＲ  流量比
Ｓ  主流
Ｓ１  第１の分流
Ｓ２  第２の分流
Ｑ  分割位置
ＤＰ1、ＤＰ2  差圧
Ｋ  較正された係数
【図１】
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【図２】
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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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【図７】
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【図８】
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