(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックアッセンブリ（ＣＳＡ）（１２）と、ＣＳＡ（１２）に水素ガス含有燃料（２０）を提供するための燃料供給システム（１６）とを有する燃料電池発電装置（１０）であって、燃料供給システム（１６）は、少なくとも、当量水素ガス含有量を有する主原料燃料（２２）と、当量水素ガス含有量を有する副原料燃料（２４）とに接続可能でありかつ少なくとも、主原料燃料（２２）と副原料燃料（２４）を混合する、燃料混和手段（２８、３０、３７、３９）と、水素ガス含有燃料を提供するように混合される主原料燃料と副原料燃料との相対量を調節する制御手段（１８）とを含む、燃料電池発電装置における、主原料燃料（２２）と副原料燃料（２４）との混合を制御する改良された方法であって、
ＣＳＡ（１２）の作動に必要とされる、少なくとも最小レベル（ＬＬ）の水素ガス含有量を有する水素ガス含有燃料を提供するように混合される主原料燃料（２２）と副原料燃料（２４）との相対量を調節（１８、３４、３６）する、
ステップを含み、当量水素ガス含有量は、所定量の主原料燃料および／または副原料燃料から得ることが可能な水素ガス含有燃料中の水素ガスの含有量であり、
主原料燃料（２２）と副原料燃料（２４）との相対量を調節（１８、３４、３６）するステップは、作動する発電装置（１０）の、少なくとも主原料燃料（２２）の当量水素ガス含有量に関連する少なくとも一つの作動パラメータ値を検出し、検出した少なくとも一つの作動パラメータ値に基づいて主原料燃料（２２）と混合される副原料燃料（２４）の相対量を制御（１８、３６）するステップを含み、
作動する発電装置（１０）の、少なくとも主原料燃料（２２）の当量水素ガス含有量に関連する少なくとも一つの作動パラメータ値は、発電装置（１０）の燃料電池スタックアッセンブリ（ＣＳＡ）（１２）の構成要素の、または構成要素における圧力（Ｐ）から成ることを特徴とする方法。
【請求項２】
主原料燃料（２２）は、副原料燃料（２４）が有するより相対的に小さな当量水素ガス含有量を有し、主原料燃料（２２）の使用より副原料燃料（２４）の使用を制限することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
副原料燃料（２４）の当量水素ガス含有量は、一定であることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
水素ガス含有燃料（２０）を提供するように混合される原料燃料は、ＣＳＡ（１２）が作動するために混合されるときは、少なくとも予め決定された最小当量水素ガス含有量（ＬＬ）を必要とし、主原料燃料（２２）の当量水素ガス含有量は、作動のための予め決定された最小当量水素ガス含有量（ＬＬ）より小さな下限値（ＡＤＧＬＥ）を有し、前記方法は、混合されるときに少なくとも予め決定された最小当量水素ガス含有量（ＬＬ）を提供するのに十分な量の副原料燃料（２４）を主原料燃料（２２）に添加するステップを含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
主原料燃料（２２）と副原料燃料（２４）の両方とも、メタン（ＣＨ4）の形態でそれらの当量水素ガス含有量を有しており、主原料燃料（２２）は、副原料燃料（２４）が有するより相対的に小さなメタン含有量を有することを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
主原料燃料（２２）は、嫌気性消化装置ガス（ＡＤＧ）であり、副原料燃料（２４）は、天然ガスであり、ＡＤＧに添加される天然ガスの、ＡＤＧと添加される天然ガスの合計量に対する相対量は、一定であることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
天然ガスの相対量は、混合される天然ガスとＡＤＧとの３分の１の量より小さいことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
天然ガスの相対量は、混合される天然ガスとＡＤＧとの２５％の量より小さいことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
主原料燃料（２２）と副原料燃料（２４）とはそれぞれ、ＡＤＧを含め、天然ガス、メタン、プロパン、ブタン、メタノール、エタノール、石油派生物、およびバイオガスから成る群より選択される炭化水素であることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項１０】
主原料燃料（２２）と混合される副原料燃料（２４）の量を制御（１８、３６）するステップは、設定点値（４１、１４１、２４１、３４１、４４１）を設定し、設定点値と検出された作動パラメータ値を比較し、この設定点値を制御することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１１】
設定点値（４１、１４１、２４１、３４１、４４１）を設定するステップは、設定点値を予め設定（４１、１４１、２４１）することを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
設定点値（４１、１４１、２４１、３４１、４４１）を設定するステップは、作動する発電装置（１０）の電力出力に関連する作動パラメータ値を検出（７６）し、電力出力に関連する検出した作動パラメータ値の関数として設定点値を自動的に決定（８０、８６）することを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
作動する発電装置（１０）の、少なくとも主原料燃料（２２）の当量水素ガス含有量に関連する少なくとも一つの作動パラメータ値は、少なくとも主原料燃料（２２）のメタン含有量から成ることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１４】
作動する発電装置（１０）の、少なくとも主原料燃料（２２）の当量水素ガス含有量に関連する少なくとも一つの作動パラメータ値は、混合される主原料燃料（２２）と副原料燃料（２４）とのメタン含有量から成ることを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
作動する発電装置（１０）の、少なくとも主原料燃料（２２）の当量水素ガス含有量に関連する少なくとも一つの作動パラメータ値は、ＣＳＡ（１２）の電圧（Ｖ）から成ることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１６】
前記方法は、作動する発電装置（１０）上の電力出力に関連する作動パラメータ値を検出（１７６）し、作動する発電装置に対する電力出力要求が予め決定されたしきい値より下であるときに主原料燃料（２２）との副原料燃料（２４）の混和を中止するステップをさらに含み、それによって、主原料燃料（２２）だけが、ＣＳＡ（１２）に水素ガス含有燃料（２０）を提供するのに使用されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電装置に関し、より詳細には、このような燃料電池発電装置に燃料供給することに関する。さらにより詳細には、本発明は、複数の燃料供給源からの燃料電池発電装置の作動に関する。
【背景技術】
【０００２】
大抵の燃料電池発電装置の一つまたは複数の燃料電池スタックアッセンブリは、水素、または水素に富む燃料によって燃料供給される。このような水素の供給源は、非常に多くのものがあり、加水分解などによる水からの、または、水素化物などからの固体貯蔵物からの派生物を含み得るが、しかしながら、最も一般的な形態は、水素に富む気体を介するものである。恐らく最も一般的な供給源は、天然ガスの水素に富むメタン（ＣＨ４）中に含まれる水素からである。改質ガソリンを含め、プロパン、ブタン、メタノール、エタノール、およびさまざまな石油派生物などのその他の炭化水素も、水素の良好な供給源である。なおさらに、他の種類の有機物質が、活性消化および自然分解の一方または両方などにより一般にバイオガスとして分類される水素に富む燃料を生成するよう処理され得る。この後者の燃料供給源の一例は、メタンの形態で有用な含有量の水素（Ｈ2）を有する「嫌気性消化装置ガス（ａｎａｅｒｏｂｉｃ  ｄｉｇｅｓｔｅｒ  ｇａｓ）」（ＡＤＧ）を提供する嫌気性消化装置による、バガスおよび同様のものなどといったさまざまな種類の植物廃物および動物廃物の一方または両方の活性消化である。埋立地ガスは、自然分解により生じるバイオガスの一例であり、有用なＨ2（メタン）含有量を有する。
【０００３】
通常、上述した水素供給源の大部分または全ては、燃料電池スタックアッセンブリのための所望の水素に富む燃料の流れを提供しかつ一酸化炭素などの望ましくない炭素化合物を除去または変換するために、燃料電池発電装置においてある程度の処理を必要とする。さらに、上述した各燃料供給源は、有用な水素含有量を有するとはいえ、それらは、一つの燃料の種類から別の燃料の種類へと、かなり変わり得るものであり、いくつかの場合には、同じ燃料の種類でもそうである。例えば、メタンなどの天然ガスの水素含有量は、例えばＡＤＧおよび同様のものなどといったバイオガスの水素含有量に比較して、相対的に高くかつ一定となり得るが、後者は、消化される供給原料、一つまたは複数の消化装置の温度、水中の固形物含有量、その他の変動の結果としてよりいっそう変動し得るものである。埋立地ガスなどのその他のバイオガスは、かなり低い水素含有量を有し得る。
【０００４】
歴史的には、大抵の燃料電池発電装置は、燃料の性能、入手可能性、および費用を含むさまざまな要因によって決定されるような、上述した水素に富む燃料供給源の単一の特定の一つで作動するように設計されてきた。つい最近、いくつかの燃料電池発電装置が、複数の燃料供給源のうちの一つまたは別の一つから交互に作動するように設計されている。実際、２００ｋｗのユー・ティー・シー・フューエル・セルズ社（ＵＴＣ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ）のＰＣ２５TM燃料電池発電装置は、図１の機能的な装置概略図に概略図示されているように、排他的にあるいは混和物または混合物として複数の燃料供給源を受け取りかつ処理する能力を、その内部の燃料処理システム（ｆｕｅｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）（ＦＰＳ）に提供する。
【０００５】
図１を参照すると、燃料電池発電装置１０は、燃料電池スタックアッセンブリ（ｃｅｌｌ  ｓｔａｃｋ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）（ＣＳＡ）１２と、燃料処理システム（ＦＰＳ）１６と、制御装置１８と、さらにその他の構成要素（図示せず）とを含む。ＦＰＳ１６は一般に、改質などにより原料燃料を改質して水素を分離し、かつ、シフト変換と選択的酸化の一方または両方などにより改質物をさらに反応させて燃料流れの中のＣＯレベルを低減させるとともにＨ2レベルを相対的に増加させる、既知の設計の構成要素を含むことができる。ＣＳＡ１２は、アノード１４を含み、アノード１４は、燃料反応物と酸化剤反応物とを電気エネルギーに変換するよく知られた一つまたは複数の電気化学反応に使用するために、ＦＰＳ１６から導管２０を介して水素に富む燃料の流れを受け取る。異なる種類の複数の燃料供給源が、少なくとも主燃料供給２２と代替＃１燃料供給２４とによって表されており、一つまたは複数のさらなる燃料供給源を表すように代替＃ｎ燃料供給２６をさらに含むことができる。各燃料供給源２２、２４、および２６は、それぞれ制御弁３４、３６、および３８を含む各導管２８、３０、および３２を介してＦＰＳ１６に接続される。導管２８、３０、および３２は一般に、制御弁３４、３６、および３８の下流で混合合流点３７において合流して、燃料を混合または混和し、次いで、混合された燃料は、導管３９を介してＦＰＳ１６に運ばれる。制御装置１８による各制御弁３４、３６、および３８の独立した制御が、この図においては簡単にするために、単一のライン４０によって示されているが、このライン４０は実際は、各弁への別々の独立した制御リード線とすることができ、あるいは、適切な弁へ多重信号を伝達する単一のリード線とすることができる。制御装置１８は、ディスクリート回路、プログラマブルコンピュータ、またはこれらの組み合わせとすることができ、燃料供給および燃料処理に付随する発電装置１０の少なくとも一部の制御を提供する。一つまたは複数の代替燃料の割合として表される、制御装置１８のために運転者が予め選択した燃料混合値は、制御装置１８への制御入力ライン４１によって表され、制御装置１８は、次には、混合されることになる予め選択された相対的な割合の燃料を提供するように弁３４、３６、３８を制御するよう作動する。一般に、標準（すなわち、主）燃料は、天然ガスであり、代替燃料は、上述したような別の燃料であった。運転者は、０％の代替燃料、１００％の代替燃料、またはいくらかの特定の割合の代替燃料と天然ガスである残りとから成る混合物を選択した。さらに、リード線４８（破線で示す）を介して制御装置１８へ延びるライン４２、４４、および４６は、各燃料供給２２、２４、２６のステータスを示しているが、しかしながら、これらは通常もっぱら、オンまたはオフ、あるいは利用可能または利用不可能などの２状態形式である。破線の機能ブロック５０は、他の制御器（図示せず）へのおよびそれらからの信号を示しており、破線形態で示されるライン５１および５２を介して導かれる。
【０００６】
図１を参照して上述したシステムは、別々に、あるいはいくつかの予め選択された混合の組み合わせで、代替燃料を使用する能力を有しているとはいえ、燃料の特定の選択およびそれらの相対量を決定する方式は述べられていなかった。さらに、作動中の燃料の水素含有量の変動を吸収することについての示唆もない。この後者に関しては、複数の燃料供給源の混合物中の一つまたは複数の燃料の水素含有量が、作動中に十分に変化し得る場合は、そのような変化を吸収または補償するのに失敗すると、ＣＳＡ１２は、水素含有量が「変化」の間に低すぎる場合に、運転停止または出力低下になり得る。
【０００７】
この点において、留意されるように、究極の関心事は、燃料流れの水素含有量であり、「当量」の水素含有量を有する燃料または燃料成分に言及するのが都合がよいであろう。例えば、天然ガス中のメタンは、水素の良好な供給源であり、相対的に一定の当量水素含有量を有する。同様に、他の水素供給源燃料は、上述したようにそれらが変化し得るとはいえ、それぞれ当量水素含有量を有する。実際、この当量水素含有量は、特に燃料の発熱量に言及するときは、「エネルギー含有量」と表現することさえできる。説明Ｉ、本発明の適用の目的のために、重要なのは、究極的には燃料の水素含有量であるとはいえ、ここでは、天然ガス、ＡＤＧ、メタン、または同様のものなどといった特定の燃料について言及され得るが、これらに対しては、既知であろうと既知でなかろうと、一定であろうと可変であろうと、「当量」の水素含有量が存在する。このような場合には、特定の燃料への言及は、その燃料の当量水素（当量Ｈ2）含有量への言及であることが意図されている。
【０００８】
例えば、上述した燃料電池発電装置１０は一般に、最大出力を維持するために、一つまたは複数の燃料供給源において少なくとも６０％メタンレベルに相当する水素含有量またはレベルを必要とする。原料燃料中の水素含有量が、メタン以外の例えばプロパン、ブタン、メタノール、その他などといった形態である場合は、必要とされるレベルは、６０％メタン当量以外とすることができ、メタン当量として表現してもしなくてもよいが、しかしながら、それにもかかわらず究極的には、その当量水素含有量によって特徴付けられかつ定量化される。ともかく、これは、相対的に低くかつ変化し得るメタン、従ってＨ2、含有量を有するＡＤＧおよびその他のバイオガスでは特別な関心事となり得る。単独の燃料供給源としてのＡＤＧの使用には費用その他などといった大きな利点が存在し得るとはいえ、上述した制限によってそれは除外され得る。代替として、ＡＤＧと組み合わせた別の燃料供給源の使用は、どの特定の時間においてもＡＤＧの当量Ｈ2含有量の実際のレベルに不確定さがあるので、いくつかの問題を生じ続ける。この後者の問題は、少なくとも一つの燃料のＨ2当量含有量が、知られていないか、変化し得るかの一方または両方である燃料供給源の任意の組み合わせに関して存在する。それと同じ観点で、二つまたは三つ以上の燃料を混合して、費用、炭素の最少化、その他の理由から、燃料のうちの一つの使用を最小限に抑えるのが好ましくなり得るし、混合された燃料の少なくとも一つのＨ2含有量の変化可能性が、効果的な利用率を妨げる。
【０００９】
従って、本発明の主な目的は、費用対効果、炭素生成の最小化、その他のうちの少なくとも一つなどといった燃料電池アッセンブリの通常の信頼性のある作動を提供する仕方で燃料電池発装置内に燃料を混合するための構成を提供することである。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、燃料の水素含有量に適合することと自動的にそれに合わせて調節することの一方または両方を行う可変の仕方で燃料を混合するための制御器構成を提供することである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に従うと、燃料電池スタックアッセンブリ（ＣＳＡ）と、ＣＳＡへ水素に富む燃料を供給するための燃料供給システムとを有する燃料電池発電装置であって、燃料供給システムは、少なくとも主燃料と副燃料とを混合する燃料混和手段と、水素に富む燃料を提供するように混合される主燃料と副燃料との相対量を調節する制御手段とを含む、燃料電池発電装置において、ＣＳＡの通常の作動に十分な最小レベルのエネルギー、または水素、含有量を水素に富む燃料に提供するように混合される主燃料と副燃料との相対量を調節する、改良された方法と装置が提供される。さらに、主燃料に対する副燃料の使用を同時に制限するのが好ましい。これは、主燃料の「費用」が相対的に一つまたは複数の副燃料の「費用」より小さい状況に、例えば、主燃料が嫌気性消化装置ガス（ＡＤＧ）などのバイオガスでありかつ副気体が天然ガスである場合などに、特に適用できる。ここで使用されるように、「費用」は、直接的な価格を含むばかりでなく、特定の燃料の魅力にひとまとまりに寄与する入手可能性、環境好適性、政治的配慮、その他などの他の要因を含むと一般に解釈されることができる。
【００１２】
主燃料が、天然ガスとすることができる副燃料のメタン含有量、従って当量Ｈ2含有量、より相対的に少なくかつ変化し得るメタン含有量、従って当量Ｈ2含有量、を有するＡＤＧまたは同様のものなどといったバイオガスである一実施態様においては、主燃料および副燃料は、副燃料の使用を最小限に抑えながら、ＣＳＡを連続して作動させるのに十分な当量水素含有量を保証する予め決定された固定された関係で混合される。より詳細には、最悪の場合の下限の実際のメタン（当量水素）含有量が、主燃料に対して決定または推定され、副燃料の、より一定の実際のメタン（当量水素）含有量が、決定または推定され、ＣＳＡの作動のための、最小の許容されるメタン（当量水素）レベルまたは範囲が、確立され、主燃料および副燃料は、混合された燃料の最小メタン（当量水素）含有量が、連続した満足される作動に対する最小の許容されるメタン（当量Ｈ2）レベルにあるか、またはそれよりわずかに大きいことを保証する関係で、混合される。主気体がＡＤＧであり、副気体が天然ガスであり、燃料電池発電装置が、上述したようなＰＣ２５TMである例においては、仮定された最悪の場合のＡＤＧに対するメタン含有量の下限は、約５０％であり、天然ガスは、約９５％のメタン含有量を有すると仮定され、６０％のメタンが、発電装置の満足される作動に対する下限あたりである。従って、約７８％のＡＤＧと２２％の天然ガスとの混合物が、制御装置によって確立される。
【００１３】
本発明のさらなる実施態様においては、発電装置の作動特性または燃料に付随する一つまたは複数のパラメータを連続的にあるいは少なくとも周期的に検出し、かつ、検出した一つまたは複数の値を用いて、制御装置への帰還を介して、燃料の流れを連続的に変調または調節し、それによって、所望の結果を達成することと維持することの一方または両方を行うことによって、効率的かつ経済的な仕方で主燃料および副燃料の相対量を調節するという目的が、代替として高められる。そのような一つの実施態様においては、主燃料のエネルギー、または水素、含有量が、モニタされ、副燃料の混合流を調節するのに役立つ。これは、当量エネルギーまたは水素含有量を有するメタンなどの燃料成分をモニタすることによって行うことができる。別の同様な実施態様においては、混合された主燃料と副燃料とのエネルギーまたは水素含有量が、モニタされ、副燃料の混合流を調節するのに役立つ。さらなる実施態様においては、発電装置構成要素の、発電装置構成要素における、あるいは発電装置構成要素に亘るモニタされた圧力または圧力差が、主燃料との副燃料の混合を調節するのに役立つ。なおさらなる実施態様においては、燃料電池アッセンブリのモニタされた電圧が、主燃料との副燃料の混合を調節するのに役立つ。またさらなる実施態様においては、上述した実施態様への追加が、低減された出力での作動において主燃料（ＡＤＧ）の当量水素含有量だけで十分であり得るという認識の結果として生じる。この実施態様においては、そのモニタされた電力または電流の慎重に選択されたしきい値の上または下における燃料電池アッセンブリ／発電装置の作動が、主燃料との副燃料の混合をイネーブルまたはディセーブルにするのに役立つ。適合し、矛盾のない程度まで、上述した制御の実施態様の一つまたは複数を組み合わせて使用できる。なおさらに、燃料は、ＡＤＧおよび天然ガス以外のもの、あるいはＡＤＧおよび天然ガスに追加したものとすることができ、また、限定される訳ではないが、バイオガス、プロパン、ブタン、エタノール、メタノール、他の石油派生物、その他を含む炭化水素などといった、少なくとも従来の水素供給源を含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図面を参照すると、図１は、背景技術において先に説明したような、予め選択された設定により決定されたように、単独であるいは混合して、さまざまな代替水素含有燃料と、天然ガスなどの水素含有主燃料とを使用する能力を有する既存の燃料電池発電装置を図示する。大体において、背景技術の図１で説明および図示された装置の大部分は、以下に記載する本発明に関して同様に使用され、従って、図１に示す参照符号を用いてこの構造を参照するものとする。この慣例からの逸脱は、従来技術と本発明の差を強調および記載する必要がある場合にのみ行うものとする。
【００１５】
多くの状況下で、ＡＤＧ（または他の類似の燃料）の利用可能性および「費用」によって、ＡＤＧは、天然ガスなどの他の水素含有燃料より魅力的となり得るので、ＡＤＧが発電装置１０のための単独の、または少なくとも主の、燃料供給源となる動機が存在する。本発明の以下の記載は、特定の燃料のメタン含有量を参照することによるものであるが、しなしながら、上述したように、メタンは、かなりの既知の水素含有量を有する水素含有化合物の単なる良好な一例であること、さらに、ＦＰＳ１６およびＣＳＡ１２が依拠するのは、実際にこの当量水素含有量であること、は理解されるであろう。図２Ａ〜図２Ｃをまとめて参照し、最初に図２Ａを参照すると、分、時間、または日によってさえ測定され得るいくらかの時間間隔に亘る、天然ガスＮＧと、バイオガス、この場合は嫌気性消化装置ガスＡＤＧ、との想定メタン（従って、当量Ｈ2）含有量のプロットがグラフで図示されている。留意されるように、天然ガスについてのメタン含有量プロットＮＧは、約９５％における相対的に高く一定のメタン含有量を示している。これとは対照的に、ＡＤＧのメタン含有量は、約５０％と６５％の間の範囲で、かなり低く、時間と共に変化することが見られる。破線ＡＤＧＬＥは、特定の供給源のＡＤＧのメタン含有量に対する仮定下方極限を図示する。勿論、この下方極限は、他の水素燃料供給源では、より高くも、より低くもなり得る。
【００１６】
図２Ｂを参照すると、一点鎖線の間に、発電装置１０の連続した満足される作動に対する燃料中のメタン（当量Ｈ2）含有量の所望の範囲が、グラフで図示されている。重要なことには、下方の一点鎖線ＬＬは、発電装置１０の満足される作動に対して許容できる燃料中のメタン含有量の下限を示している。ＰＣ２５TM発電装置では、下限（ｌｏｗｅｒ  ｌｉｍｉｔ）ＬＬは、約６０％のメタン含有量である。この範囲は、約６５％の上限を有するものとして図示されているとはいえ、この後者の値は、決定的なものではなく、経済的な制限のために、そして炭素含有量を制限するために、より高く例示される。より大きなメタン含有量を有する燃料は、より少ない量で単に使用される。しかしながら、留意されるように、図２Ａからは、ＡＤＧ燃料供給源はしばしば、６０％と同じくらい大きいメタン含有量を有し損なうことがある。従って、主燃料として使用されるＡＤＧでは、それを、混合された燃料のメタン（当量Ｈ2）含有量が、約６０％と同じくらい大きいか、あるはそれより大きくなるのを常に保証するのに十分に大きな当量水素含有量を有する一つまたは複数の他の燃料と、混合する必要がある。
【００１７】
主燃料が、約５０％の下方極限メタン含有量ＡＤＧＬＥを有するＡＤＧであると想定し、結果として生じる燃料処理システム（ＦＰＳ）１６へ送られる燃料のメタン含有量の下限ＬＬが、ＣＳＡ１２を満足して作動させるように、少なくとも６０％などといった既知の値となる必要があると想定し、さらに、副燃料または代替燃料が、約９５％のメタン含有量を有する天然ガスなどといった既知で、あるいは正確に想定でき、しかも、相対的に一体であるメタン含有量を有すると想定すると、必要とされる最小メタン（当量Ｈ２）含有量レベルＬＬを少なくとも達成するように、二つ（または三つ以上）の燃料の混合比または割合を確立することが可能である。また、この混合比は、費用を制御することと、それ以外に混和または混合の利点を最適化することの一方または両方を行うために、一つまたは複数の副燃料または代替燃料の量を最小限に抑えるように、さらに選択され得る。先に述べたように、当量エネルギーまたは水素測定値としてのこれらの例の参照メタンレベルとはいえ、それは、水素それ自体についてを含め、当量水素含有量の相関関係が既知であるかあるいは決定できる別の燃料供給源について同様になされ得ることが理解されるであろう。
【００１８】
主燃料ＡＤＧに対して５０％の下方極限メタン含有量ＡＤＧＬＥを想定すると、ＡＤＧの所定の（Ｘ）パーセントまたは小部分は、それを、９５％のメタンにおける副燃料すなわち天然ガスの所定の（Ｙ）パーセントと混合して、実質的に６０％におけるまたはわずかに６０％より大きい混合物のメタン含有量において達成する必要がある。ＸおよびＹの値を決定するために、ＡＤＧの５０％の下方極限メタン含有量値は、天然ガスの９５％の「一定」のメタン値から引かれて、値４５を与える。この値は、二つの燃料の間の最も大きな差であり、ＡＤＧの実際のメタン値は、未知なので、ＡＤＧに対する連続した値であると仮定する必要がある。約６０％のメタン含有量を有する燃料の混合物について、ＡＤＧの使用を最大化すると、０．６０＝Ｘ（ＡＤＧ）＠０．５０＋Ｙ（天然ガス）＠０．９５  となる。ＸおよびＹについて解くと、Ｘ＝（４５−１０）／４５＝３５／４５＝０．７８＝７８％、および、Ｙ＝（４５−３５）／４５＝１０／４５＝０．２２＝２２％  となる。従って、７８％のＡＤＧと２２％の天然ガスの混合比は、少なくとも６０％のメタン含有量を有する混合された燃料を生成することになる。従って、天然ガスの量は、燃料の混合物全体の３分の１より少なく、実際２５％よりも少ないことが理解されるであろう。記憶する必要があるように、ＡＤＧはときどき、５０％より大きなメタン含有量を有することがあり、それによって、そのようなときには、混合された燃料も、二つの燃料の７８％対２２％の比によって確立されるような、６０％より大きなメタン含有量を有することになる。この後者の結果は、混合された燃料のメタン含有量のグラフによるプロットである図２Ｃにおいて明らかに見られる。留意されるように、メタン含有量は常に、少なくとも６０％またはそれを超え、ＡＤＧのメタン含有量が単独で６５％に近づいた時間間隔の間に、混合された燃料中のメタンは、７８％＠０．６５および２２％＠０．９５＝０．５１＋０．２１＝７２％  となり得る。この後者のメタン値は、必要とされるより幾分大きいとはいえ、それは、容易に管理されるが、より重要なことには、それは、混合された燃料の最小のメタン含有量が常に、ＣＳＡ１２の最小の当量水素含有量の必要量を満足させることを保証する。
【００１９】
主燃料に対する副燃料の所望の量的関係を、それらの各メタン（当量Ｈ2）含有量とシステムの必要量とに基づいて確立すると、運転者が、キーボードまたは同様のものなどによってこれらの各値を制御装置１８に入力することだけが残る。さらに、制御装置１８が、まとめて１００％として主燃料と副燃料とを見るように構築またはプログラムされる限り、二つの燃料のうちの一方に対する適切な相対値を入力することが必要なだけであり、他方は、必然的に暗黙のうちに含まれることになる。例えば、上述した例においては、主燃料は、副燃料が存在してそれに対する相対値が入力されることがない限り、１００％と考えられることができるが、しかしながら、後者の場合に、２２％（あるいは、０．２２または１０／４５）が副燃料に対して入力されると、主燃料に対する値は自動的に、補数すなわち７８％となる。上述した例は、好ましい例を表しているとはいえ、他の主燃料および副燃料の一方または両方が、同様の仕方で扱われ得ることは理解されるであろう。さらに、例えば第二の燃料および第三の燃料のように、二つ以上の代替燃料が存在する場合は、それらは、上述した仕方で主燃料に対してまとめて単一の代替物（すなわち、「副燃料」）として取り扱われ得るが、しかしながら、実務家には理解されるであろうように、経済性、利用可能性、およびその他に要因の少なくとも一つに基づいてこれらの代替物の間の適切な関係を確立するのが必要となるであろう。
【００２０】
本発明の代替の実施態様を理解するために図３〜図６、および図７がここで参照され、この代替の実施態様では、ＣＳＡ１２の満足の行く経済的な作動のために、主燃料と、一つまたは複数の代替物すなわち副燃料との相対的な使用を最適化するのが同様に有利である。しかしながら、主燃料と、副燃料すなわち代替燃料との一方または両方の当量Ｈ2含有量の最悪の場合の想定値に、燃料の混合物を基づかせるのではなく、一つまたは複数の代替の実施態様は、燃料と、発電装置１０の作動特性との一方または両方に付随する一つまたは複数のパラメータを検出し、多くの観点で制御装置１８に類似する制御器構成を介して、検出した値を動的に用いて、個々の燃料の流れを変調または調節し、それによって、所望の燃料混合物を得る。より詳細には、主燃料は好ましくは、副燃料より低い「費用」を有する燃料であるが、しかしながら、しばしば、副燃料より小さい当量水素含有量を有する燃料である。経済性の理由で、使用される複数の燃料を有する発電装置１０の作動全体に亘って、主燃料の使用を最大化しかつ副燃料の使用を最小化するのが一般に望ましい。これを効果的に行うためには、燃料の当量水素、ここではメタン、の含有量と、一つまたは複数の燃料の当量Ｈ2含有量により影響されるような結果として得られる発電装置の作動との一方または両方に相互に関連する、一つまたは複数のパラメータをモニタすることが必要である。図３〜図７のこれらの実施態様を説明および例示する際には、簡略化のために、図１の構造および参照符号を参照することになる。それらが同じか実質的に同じ場合は、同じ参照符号が図３〜図７において使用されており、それらが、類似するか相似しているだけの場合は、従来の参照符号が、三桁の参照符号のうち最後の二桁として維持される。さらに、図２Ａ〜図２Ｃの実施態様の説明に関するように、主燃料２２は、ＡＤＧであると仮定されることになり、副燃料２４は、天然ガスであると仮定されることになるとはいえ、理解されるように、本発明の概念および作用を満足させる、それぞれに対する代替物は、本発明の範囲内にある。また、メタンレベルの参照は、燃料のエネルギーまたは水素レベルへの相互に関連した参照であることが意図されている。
【００２１】
図３を参照すると、複数の燃料の混合比を制御するように、システムパラメータを検出しかつ検出した値を用いるための構成の第一の特定の実施態様が図示される。詳細には、主燃料２２の当量エネルギー、またはＨ2、含有量は、適切なエネルギーまたは水素含有量分析器または検出器（Ｅ．Ｃ．）７２などといった適切な装置または検出器によって測定される。エネルギー含有量検出器７２は、ＣＨ4分析器または同様のものとすることができ、主燃料２２のエネルギーレベルを決定し、それをライン７２’を介して制御装置１１８へ伝達する。制御装置１１８は、比較関数ブロック７４および論理関数ブロック７５によって象徴的に表される適切な回路またはプログラミングを含む。比較関数ブロック７４は、ａn当量エネルギー設定点１４１と、測定された主燃料のエネルギー含有量を比較する。エネルギー含有量設定点１４１は、運転者によって、キーボード入力または同様のものなどを介して入力できる。設定点１４１からの差または差異を決定する際に、この差の値は、次に、比例、積分、およびその他の作用のうちの少なくとも一つに掛けることができ、さらに適切なロジック７５によって条件付けることができ、出力制御信号として制御装置１１８からライン１４０上を通り制御弁３６に提供される。制御弁３６は、天然ガスの副燃料供給２４と関連しており、ライン１４０上の制御信号は、必要なメタン、従って当量Ｈ2、含有量を有する混合された気体比を得るのに必要とされるように、天然ガスの流れを増加または減少させるのに役立つ。基本的な混合比は、図２Ａ〜図３Ｃに付随するのと同様な仕方で予め決定され得るし、設定点１４１を確立するのに使用され得るとはいえ、エネルギー含有量検出器７２の使用によって、制御装置１１８は、さらに連続的にまたは少なくとも周期的に制御弁３６を変調し、それによって天然ガス２４の流れを制御することが可能となり、それによって、天然ガス２４の流れは、導管３９内の混合された燃料中でほぼ一定のメタン、従って当量Ｈ2、レベルを維持するように増加または減少する。次に、これによって、図２Ｃにおける混合された燃料メタン含有量のプロット中に見られる偏位のいくらかが回避される。
【００２２】
図４を参照すると、図３に例示される実施態様の控えめな変更が図示される。詳細には、エネルギー含有量（ｅｎｅｒｇｙ  ｃｏｎｔｅｎｔ）（Ｅ．Ｃ．）検出器７２が、複数の燃料が混和または混合される混合合流点３７の下流で導管３９内の混合された燃料のエネルギー含有量を検出するように作動する。以前のように、ライン７２’は、ａnエネルギー含有量設定点信号値２４１と比較するために、制御装置２１８内の比較関数ブロック７４へ一つまたは複数のエネルギー含有量値を伝達する。しかしながら、本例では、設定点２４１は、混合された燃料のための所望のエネルギー含有量に対して予め選択されており、制御弁３６へ施されるライン２４０上の、結果として得られる制御信号は、所望のエネルギー含有量レベルにおいて燃料混合物を達成することと、維持することの一方または両方を行うようにこの弁を変調するのに役立つ。
【００２３】
図５の実施態様は、混合された燃料の当量Ｈ2含有量と不活性物含有量の一方または両方の変化の関数として圧力変化を示すように、特に燃料供給および処理セクション内で、発電装置１０のさまざまな構成要素の特性を利用する。例えば、ＡＤＧ２２の当量Ｈ2含有量が低下した場合は、気体中の不活性物は、それに応じて増加することになり、発電装置のこれらの構成要素におけるあるいはこれらの構成要素に亘る、圧力または圧力差の増加を生じさせることになる。従って、一つまたは複数のそのような構成要素の、構成要素における、あるいは構成要素に亘る、圧力、またはより適当には圧力差をモニタすることによって、当量エネルギー含有量の変化が、推測および定量化されることができ、適切な制御作用が、天然ガスの流れを増加または減少させるように行われて、所望の当量Ｈ2レベルが達成される。この実施態様においては、制御装置３１８は、ライン７６’を介して電流検出器７６から入力を、および、ライン７８’を介して圧力変換器７８から入力を、受け取る。電流検出器７６は、ＦＣＡ１２の出力負荷電流をモニタし、それを、基準圧力スケジュール関数ブロック８０へ施し、この関数ブロック８０は、予め定義された混合された燃料の当量Ｈ2組成のために、負荷電流ＩＤＣ（電流検出器７６によって測定されるような）と、構成要素のための基準圧力（または圧力差）との間の相関関数を提供し、この構成要素のために、圧力（または圧力差）が、ＰＴ変換器７８によって測定される。検出器７６によって提供された測定された電流信号に応答して、関数ブロック８０は、圧力設定点信号をライン２４１上に提供し、この信号は、比較関数ブロック７４に施される。この比較関数ブロック７４はまた、モニタされる構成要素の存在する圧力または圧力差の指示として、圧力検出器７８によって提供されるライン７８’上の圧力信号を受け取る。ライン７８’上のモニタされた圧力信号と、ライン３４１上の圧力設定点信号との間の差を決定する際に、この差の値は、比例、積分、およびその他の作用のうちの少なくとも一つに掛けることができ、さらにロジック７５によって条件付けることができ、出力制御信号として制御装置３１８からライン３４０上を通り制御弁３６に提供される。先のように、制御弁３６は、主ＡＤＧ燃料２２と混合される天然ガス２４、従って当量Ｈ2、の相対量を増加または減少させるように変調され、それによって、モニタされる構成要素において適切な圧力（または圧力差）を達成することと、維持することの一方または両方を行う。
【００２４】
図６の実施態様は、多くの点で図５の実施態様に類似しているが、主な相違点は、燃料エネルギー（当量Ｈ2）含有量を反映する検出されるシステムパラメータが、電圧変換器８４によって検出されかつライン８４’上に出現するようなＣＳＡ１２の電圧であることである。先のように、負荷電流は、ＩＤＣ電流検出器７６によって検出され、この場合は制御装置４１８の一部を構成する基準電圧スケジュール関数ブロック８６に施される。関数ブロック８６は、予め定義された混合された燃料当量Ｈ2組成のために、負荷電流ＩＤＣ（電流検出器７６によって測定されるような）と、ＶＴ変換器８４によって測定されるシステムパラメータであるＣＳＡ１２の基準出力電圧との間の相関関数を提供する。検出器７６によって提供された測定された電流信号に応答して、関数ブロック８６は、電圧設定点信号をライン４４１上に提供し、この信号は、比較関数ブロック７４に施される、この比較関数ブロック７４はまた、モニタされるＣＳＡ１２の存在する電圧の指示として、電圧変換器（ｖｏｌｔａｇｅ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）ＶＴ８４によって提供されるライン８４’上の電圧信号を受け取る。ライン８４’上のモニタされた電圧信号と、ライン３４１上の電圧設定点信号との間の差を決定する際に、この差の値は、比例、積分、およびその他の作用のうちの少なくとも一つに掛けることができ、さらにロジック７５によって条件付けることができ、出力制御信号として制御装置４１８からライン４４０上を通り制御弁３６に提供される。先のように、制御弁３６は、主ＡＤＧ燃料２２と混合される天然ガス２４、従って当量Ｈ2、の相対量を増加または減少させるように変調され、それによって、ＣＳＡ１２によって提供される適切な電圧を達成することと、維持することの一方または両方を行う。
【００２５】
図７を参照すると、図２〜図６の実施態様に対する代替物となり得るが、しかしながら、好ましくはそれらへの追加となる制御器構成が、グラフおよび関数として図示されている。それは、上述した混和または混合関数へのオーバーライドとして見ることができる。詳細には、制御装置５１８が、混和制御器関数ブロック９０を含むものとして図示されており、この混和制御器関数ブロック９０は、図１〜図６を含め、図面に関連して先に説明した燃料混和制御器関数のいずれをも累積的に代表する。混和制御器９０は、ロジック７５の一部とすることができ、運転者の入力と、検出器からの入力との一方または両方に応答して、制御信号４０（および、いくつかの各実施態様の１４０、２４０、３４０、４４０）を提供し、この信号は、上述したように、制御弁３４、３６、その他を介して主燃料の流れと副燃料の流れとを制御する。しかしながら、もしＣＳＡ１２／発電装置１０に対する電力または電流要求が例えば５０％出力などといったあるしきい値より小さいときは、主燃料２２と副燃料２４を混合しないのが有用であり得る。ＣＳＡ１２／発電装置１０に必要とされる電力出力がそのように限定される場合は、主燃料ＡＤＧ２２は、その最悪の場合の状況においてさえ、その低減された電力要求を満たす際に適切にＣＳＡ１２に燃料供給するのに十分なメタン（当量水素）含有量を有し得る。
【００２６】
従って、ＣＳＡ１２の出力電力または電流は、図５および図６の実施態様に関連して説明した電流変換器ＩＤＣ７６に類似し得るかあるいは電流変換器ＩＤＣ７６と全く同じ装置となり得る、電流変換器ＩＤＣ１７６などによってモニタされあるいは検出される。電流変換器ＩＤＣ７６によって提供される電流値または電力値は、制御装置５１８の一部を構成するイネーブル／ディセーブル関数ブロック９２にライン１７６’を介して施される。イネーブル／ディセーブル関数ブロック９２は、検出された電流値または電力値に応答して、図示されたスケジュールに従ってイネーブルまたはディセーブル制御信号９３を提供する。詳細には、スケジュールは、制御信号９３を、電力または電流ＩＤＣが５０％出力などといったしきい値を超えるときは、「混和イネーブル」状態に、電力または電流がこのしきい値より小さいか、あるいはわずかに低いしきい値より小さいときは、「混和ディセーブル」状態に、切り換えるように構築される。ディセーブルのためのわずかに低いしきい値は、関数内に組み込まれている小さな不感帯の結果としてであり、この領域内で作動が長引く場合に単一のしきい値付近での「ハンチング」を最小限に抑える。信号９３は、論理関数ブロック７５の一部とすることができる混和制御器９０に施され、この混和制御器９０は、その「イネーブル」状態において、制御信号５４０が主燃料２２と副燃料を混合するように制御弁３６を調節できるようにする。逆に、信号９３が、その「ディセーブル」状態にあるときに、結果として得られる制御信号５４０は、制御弁を使用不可にし、副燃料２４の流れを効果的に妨げ、それによって、主ＡＤＧ燃料２２との混合を防止する。
【００２７】
本発明は、その例示的な実施態様に関して説明および例示したが、上述したものおよびさまざまな他の変更、省略、および追加を、本発明の精神および範囲から逸脱せずに行うことができることは、当業者には理解されるであろう。例えば、適合し、矛盾のない程度まで、上述した制御の実施態様の一つまたは複数を組み合わせて使用できる。なおさらに、図３〜図７の実施態様は、主燃料のパラメータをモニタしかつ主燃料との副燃料の混合を制御する文脈で説明されているとはいえ、理解されるように、そのような構成を逆にすることができ、あるいは、両方の燃料のパラメータをモニタすることと、一方または両方の燃料の混合を制御することの、一方または両方を行うようにそのような構成を使用することさえ可能である。なおさらに、燃料は、ＡＤＧおよび天然ガス以外のもの、あるいはＡＤＧおよび天然ガスに追加したものとすることができ、また、プロパン、ブタン、メタノール、エタノール、その他などといったさまざまな他の炭化水素ばかりでなく、他の水素供給源を含むことができる。理解されるように、例示した例中でのメタンへの言及は、直接的にあるいは間接的に、燃料の当量エネルギーまたは水素含有量への言及および目安である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】複数の燃料を、別々にあるいは混合して使用する能力を図示する、従来技術に従う燃料電池発電装置の機能システムの概略図。
【図２Ａ】主燃料すなわち嫌気性消化装置ガスと、副燃料すなわち天然ガスとの、メタン含有量および間接の当量水素含有量と、それらの時間による変化とを示すグラフ。
【図２Ｂ】図１に示されたものなどの従来技術の燃料電池発電装置の燃料電池アッセンブリの満足される作動のために許される混合された燃料の最小メタン（当量Ｈ2）含有量を示すグラフ。
【図２Ｃ】本発明に従って主燃料と副燃料とが混合されたときに結果として生じる燃料混合物のメタン（当量Ｈ2）含有量を示すグラフ。
【図３】主燃料のモニタされたメタン含有量が主燃料との副燃料の混合を調節する制御の実施態様の簡略化された機能図。
【図４】混合された主燃料と副燃料とのモニタされたメタン（当量Ｈ2）含有量が主燃料との副燃料の混合を調節する制御の実施態様の簡略化された機能図。
【図５】発電装置構成要素の、あるいは発電装置構成要素におけるモニタされた圧力が、主燃料との副燃料の混合を調節するのに役立つ制御の実施態様の簡略化された機能図。
【図６】料電池アッセンブリのモニタされた電圧が、主燃料との副燃料の混合を調節するのに役立つ制御の実施態様の簡略化された機能図。
【図７】燃料電池アッセンブリ／発電装置のモニタされた電力または電流のしきい値が、主燃料との副燃料の混合をイネーブルまたはディセーブルにするのに役立つ制御の実施態様の簡略化された機能図。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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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