(57)【要約】  本発明は、燃料電池または燃料電池スタック（２０）のアノード性能を評価する方法に関する。本発明は、アノード性能が、燃料電池または燃料電池スタック（２０）の少なくともいずれかの電流と、測定中に燃料が供給されないアフタバーナ（２４）に供給される空気体積流量と、改質ガスの空気比と、アフタバーナガスにおける酸素体積含有量と、を測定することによって導出されることを特徴とする。
2010503953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池または燃料電池スタック（２０）においてアノード変換度を導出する方法であって、前記アノード変換度の導出が、前記燃料電池または前記燃料電池スタック（２０）の少なくともいずれかの電流と、測定時に燃料供給を受けないアフタバーナ（２４）に供給される空気体積流量と、改質ガスの空気比と、アフタバーナ排気ガスにおける酸素体積比と、を測定することにより行われることを特徴とする、アノード変換度を導出する方法。
【請求項２】
前記アノード変換度が、以下の式によって定義されるように、アノードに供給される燃焼ガスに対する電流Ｉで前記アノードが変換する燃焼ガスの比によって構成され、
【数１】
2010503953.tif 000028
ここで、Ｉが前記燃料電池または前記燃料電池スタックの前記電流であり、Ｎが燃料電池の数であり、Ｆがファラデー定数であり、
【数２】
2010503953.tif 000029
が、各々、前記アノード出口における該アノード出口から排出されるＨ２、ＣＯ及び燃料のモル流量であることを特徴とする、請求項１に記載のアノード変換度を導出する方法。
【請求項３】
前記モル流量
【数３】
2010503953.tif 000030
の和が、
【数４】
2010503953.tif 000031
に等しく、ここで、
【数５】
2010503953.tif 000032
が、前記アフタバーナ（２４）に供給される前記空気体積流量であり、λＮＢが、前記アフタバーナ排気ガスの前記空気比であり、Ｖｍ，ａｉｒが、空気のモル体積であることを特徴とする、請求項２に記載のアノード変換度を導出する方法。
【請求項４】
前記アフタバーナ排気ガスの前記空気比が、以下のように超化学量論的燃焼に対して定義され
【数６】
2010503953.tif 000033
ここで、φＡ，ｏｕｔ（Ｈ２，ＣＯ）が、前記アノード出口におけるＨ２及びＣＯの体積比であり、φＮＢ（Ｏ２）が、前記アフタバーナ排気ガスにおけるＯ２の体積比であることを特徴とする、請求項３に記載のアノード変換度を導出する方法。
【請求項５】
前記アノード出口におけるＨ２及びＣＯの前記体積比が、以下のように定義され、
【数７】
2010503953.tif 000034
ここで、φＡ，ｉｎ（Ｈ２，ＣＯ）が、前記アノード入口におけるＨ２及びＣＯの体積比であり、
【数８】
2010503953.tif 000035
が、前記アノード入口における総モル流量であることを特徴とする、請求項４に記載のアノード変換度を導出する方法。
【請求項６】
前記アノード入口におけるＨ２及びＣＯの前記体積比が、前記改質ガスの前記空気比の関数としての特性を用いてさらに導出されることを特徴とする、請求項５に記載のアノード変換度を導出する方法。
【請求項７】
前記アノード入口における前記総モル流量が、前記改質ガスの前記空気比の関数としての特性を用いてさらに導出プされることを特徴とする、請求項５または６に記載のアノード変換度を導出する方法。
【請求項８】
前記アノード入口における前記総モル流量が、以下のように定義される改質器内への総モル流量の関数として導出され、
【数９】
2010503953.tif 000036
ここで、ｎが前記燃料の炭素濃度であり、ｍが前記燃料の水素濃度であり、ｈｕ，ｆｕｅｌが、前記燃料の所定の発熱量であり、Ｍｆｕｅｌが前記燃料のモル質量であり、ＰＲｅｆが前記改質器の燃料出力であることを特徴とする、請求項７に記載のアノード変換度を導出する方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法を実行するために適しているコントローラを含む燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池または燃料電池スタックにおいてアノード性能を評価する方法に関する。
【０００２】
さらに、本発明は、コントローラを含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
一般に、燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムが知られており、そこでは、改質器、燃料電池または燃料電池スタック及びアフタバーナがこの順序で互いに結合されている。改質器は、供給された空気及び燃料を反応させて、水素かつ一酸化炭素（ｍｏｎｏｃａｒｂｏｎａｔｅｄ）ガスを含む改質ガスを生成する。そして、この改質ガスは、燃料電池または燃料電池スタックのアノードに入る。より詳細には、改質ガスは、アノード入口を介して燃料電池スタックに供給される。アノードでは、改質ガス（Ｈ２、ＣＯ）の一部は触媒作用で酸化されて電子を放出し、アノード出口から排気ガスが排出される。この電子は燃料電池または燃料電池スタックから流出し、例えば電気的な負荷に流れる。この電子は燃料電池または燃料電池スタックのカソードに流入し、カソード入口から供給される空気を還元させる。この後、カソード出口から排気ガスが排出される。そして、アノード出口及びカソード出口の両方から排出される燃料電池スタックの排気ガス（減損改質ガス）は、ともにアフタバーナに供給される。ここで、減損改質ガスはアフタバーナに供給される空気と反応して、燃焼排気ガスになる。例えば、アノード変換度を利用して、かかるシステムの性能を診断することができる。しかしながら、現時点では、アノード変換度を求めるには、燃料電池または燃料電池スタックの上流において、改質ガスのガス分析を行うといった複雑な方法に頼らざるをえない。かかるガス分析の方法を採用することは、不都合なことに非常に費用がかかる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明は、アノード変換度の導出を費用効率よく可能とするように、一般的な方法及び一般的な燃料電池システムを高性能化するという目的に基づく。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。
【０００６】
本発明の有利な態様、及びさらなる実施形態は、従属請求項に示されている。
【０００７】
本発明による方法は、アノード変換度の導出が、燃料電池または燃料電池スタックの少なくともいずれかの電流と、測定時に燃料供給を受けないアフタバーナに供給される空気流量と、改質ガスの空気比と、アフタバーナの燃焼排気ガスにおける酸素体積率と、を測定することにより行われるという点で、一般的な従来技術に対して高度化されたものである。これらの量を測定することにより、アノード変換度を適切な計算によって費用効率よく検出することができる。燃料電池または燃料電池スタックの電流を測定するために必要なものは、電流計のみである。アフタバーナに供給される空気流量は、流量計によって検出することができる。改質ガスの空気比及びアフタバーナの燃焼排気ガスにおける酸素体積率は、各々、改質器及びアフタバーナにおいて対応して位置するラムダセンサによって検知することができる。
【０００８】
本発明による方法において、アノード変換度は、以下の式によって定義されるように、アノードに供給される燃焼ガスに対するアノードにおいて電流Ｉで反応した燃焼排気ガスの比によって定義されるという点で、有利に高度化することができ、
【０００９】
【数１】
2010503953.tif 000003
【００１０】
ここで、電流Ｉは、燃料電池または燃料電池スタックの電流であり、Ｎは、燃料電池の数であり、Ｆは、ファラデー定数であり、
【００１１】
【数２】
2010503953.tif 000004
【００１２】
は、各々、アノード出口におけるＨ２、ＣＯ及び燃料のモル流量である。
【００１３】
さらに、本発明による方法を、モル流量
【００１４】
【数３】
2010503953.tif 000005
【００１５】
の和が、
【００１６】
【数４】
2010503953.tif 000006
【００１７】
と等しくなるように行ってもよく、ここで、
【００１８】
【数５】
2010503953.tif 000007
【００１９】
は、アフタバーナに供給される空気の体積流量であり、λＮＢは、アフタバーナの燃焼排気ガスの空気比であり、Ｖｍ，ａｉｒは、空気のモル体積である。
【００２０】
本発明による方法を、アフタバーナの燃焼排気ガスの空気比が下式のように、化学反応における量的な燃焼により定義されるように行ってもよく、
【００２１】
【数６】
2010503953.tif 000008
【００２２】
ここで、φＡ，ｏｕｔ（Ｈ２，ＣＯ）は、アノード出口におけるＨ２及びＣＯの体積率であり、φＮＢ（Ｏ２）は、アフタバーナの燃焼排気ガスにおけるＯ２の体積率である。
【００２３】
本発明による方法のさらに有利な態様の範囲では、アノード出口におけるＨ２及びＣＯの体積率が、以下のように定義され、
【００２４】
【数７】
2010503953.tif 000009
【００２５】
ここで、φＡ，ｉｎ（Ｈ２，ＣＯ）は、アノード入口におけるアノードのＨ２及びＣＯの体積率であり、
【００２６】
【数８】
2010503953.tif 000010
【００２７】
は、アノード入口における総モル流量である。
【００２８】
本発明による方法は、アノード入口におけるＨ２及びＣＯの体積率が、改質ガスの空気比または改質器に対する空気比の関数としての特性を用いてマップされるという点で高性能化されることが好ましい。この場合、特性を経験的にマップしてもよい。
【００２９】
さらに、本発明による方法を、アノード入口における総モル流量が、改質ガスの空気比の関数としての特性を用いてマップされるという点で有利に行ってもよい。この場合もまた、特性を経験的にマップしてもよい。
【００３０】
さらに、本発明による方法は、アノード入口における総モル流量が、以下のように定義される改質器内への総モル流量の関数としてさらにマップされるように達成されることが好ましく、
【００３１】
【数９】
2010503953.tif 000011
【００３２】
ここで、ｎは、燃料の炭素濃度であり、ｍは、燃料の水素濃度であり、ｈｕ，ｆｕｅｌは、燃料の所定の発熱量であり、Ｍｆｕｅｌは、燃料のモル質量であり、Ｐｒｅｆは、改質器の燃料出力である。
【００３３】
同様に、本発明による燃料電池システムに、本発明による方法を実施するために適しているコントローラが設けられる。これにより、本発明による方法に関連して説明した特性及び利点が同じかまたは同様の程度までもたらされ、したがって、冗長な繰返しを回避するために、本発明による方法についてのこれに関する説明を参照する。
【００３４】
ここで、本発明を、添付図面を参照して特に好ましい実施形態により詳述する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による燃料電池システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
ここで図１を参照すると、本発明による燃料電池システム１０の概略図が示されている。図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料供給のための上流燃料供給器１２と空気供給のための上流空気供給器１４とに結合された改質器１６を備えている。改質器１６は、下流燃料電池スタック２０に結合されている。燃料電池スタック２０は、この場合、複数の燃料電池を備えている。しかしながら、別法として、燃料電池スタック２０の代りに、単一の燃料電池のみを設けてもよい。改質器１６は、燃料電池スタック２０のアノードに結合されている。さらに、カソード空気供給器１８に結合される燃料電池スタック２０は、燃料電池スタック２０のカソードにカソード空気を供給する。さらに、燃料電池スタック２０はアフタバーナ２４に結合され、この実施形態の例では燃料電池スタック２０のアノード及びカソードの両方から生じる排気ガスの供給を受ける。さらにアフタバーナ２４にはアフタバーナ空気供給器２２が結合され、アフタバーナ空気の供給を受ける。燃料電池システム１０はコントローラ２６により制御される。改質器１６の改質ガスの空気比を得るために、改質器１６にラムダセンサ３４が設けられており、ラムダセンサ３４にコントローラ２６が接続されている。同様に、アフタバーナ２４のアフタバーナ排気ガスの酸素含有量または酸素体積率を検知するために、アフタバーナ２４に別のラムダセンサ３２が設けられている。アフタバーナ２４に供給される空気体積流量を検知するために、アフタバーナ空気供給器２２とアフタバーナ２４との間に流量計３０が配置されている。
【００３７】
動作時において、コントローラ２６は、以下のように本発明による方法を実行することにより、アノード変換度ＸＡを導出する。アノード変換度は、アノードに供給される燃焼ガスに対するアノードが反応させる燃焼ガスの比として定義され、以下のように公式化することができる。
【００３８】
【数１０】
2010503953.tif 000012
【００３９】
ここで、Ｎは燃料電池スタックの燃料電池の数であり、Ｆはファラデー定数であり、Ａｓ／モルの単位で表される。
【００４０】
【数１１】
2010503953.tif 000013
【００４１】
は、アノードに入るＨ２、ＣＯ及び燃料のモル流の和であり、モル／秒の単位で表される。項
【００４２】
【数１２】
2010503953.tif 000014
【００４３】
は、アノード出口における該アノード出口から排出されるＨ２、ＣＯ及び燃料の和であり、モル／秒の単位で表される。コントローラ２６がアノード変換度を求めることができるように、燃料電池スタック２０の電流Ｉを検知する必要がある。電流Ｉは、いかなる追加の燃料、特にディーゼル燃料がアフタバーナ２４に供給されない時に検知されることが好ましい。電流Ｉを検知するために、コントローラ２６は、電流を検知するために燃料電池スタック２０に接続される電流計２８を備えている。燃料電池スタック２０の電流が検知されると、アノード変換度ＸＡを計算するために、項
【００４４】
【数１３】
2010503953.tif 000015
【００４５】
を得ることがさらに必要である。この項は、以下のような空気比の定義に従って書くことができる。
【００４６】
【数１４】
2010503953.tif 000016
【００４７】
ここで、
【００４８】
【数１５】
2010503953.tif 000017
【００４９】
は、アフタバーナ空気供給器２２からアフタバーナ２４に入る空気体積流量であり、Ｎｌ／秒で表され、λＮＢは、アフタバーナ２４のアフタバーナ排気ガスの空気比またはラムダ数であり、Ｖｍ，ａｉｒは、空気のモル体積であり、Ｎｌ／モルで表される。空気のモル体積Ｖｍ，ａｉｒは既知であり、例えば、空気の所定の体積とともにモル質量から得ることができる。コントローラ２６は、流量計３０によって、アフタバーナ２４に供給される空気体積流量を検出する。そして、さらに、コントローラ２６によりアフタバーナ２４のアフタバーナ排気ガスの空気比λＮＢを計算する必要がある。アフタバーナ排気ガスの空気比λＮＢは、超化学量論的燃焼に対して導出可能な以下の式によって得られる。
【００５０】
【数１６】
2010503953.tif 000018
【００５１】
この式において、項φＡ，ｏｕｔ（Ｈ２，ＣＯ）は、アノード出口におけるＨ２及びＣＯの濃度、言い換えれば、アノードを出るガスの濃度であり、φＮＢ（Ｏ２）は、アフタバーナ排気ガスにおけるＯ２の濃度である。アフタバーナ排気ガスにおけるＯ２の濃度を得るために、コントローラ２６は、アフタバーナ２４に設けられているラムダセンサ３２に接続されている。アノード出口におけるＨ２及びＣＯの濃度を得るために、コントローラ２６は、アノードを出るアノード排気ガスにおける燃焼ガスの比に対して以下の式を使用する。
【００５２】
【数１７】
2010503953.tif 000019
【００５３】
ここで、φＡ，ｉｎ（Ｈ２，ＣＯ）は改質器１６からアノードに供給されるＨ２及びＣＯを含むガスの体積比または体積率、すなわち、改質ガスにおけるＨ２及びＣＯの比であり、
【００５４】
【数１８】
2010503953.tif 000020
【００５５】
は、燃料電池スタック２０において変換されたＨ２及びＣＯの体積比である。より詳細には、式
【００５６】
【数１９】
2010503953.tif 000021
【００５７】
は、アノード入口においてアノードに供給される総モル流量に関連する。
【００５８】
φＡ，ｉｎ（Ｈ２，ＣＯ）を得るために、コントローラ２６は、改質器の改質ガスのラムダ数または改質器１６の改質ガスの空気比の関数として経験的に確立された特性を使用し、
【００５９】
【数２０】
2010503953.tif 000022
【００６０】
を画定する。ここで、ｂｉは、経験的に確立された事前定義された係数である。改質ガスの空気比を得るために、コントローラ２６は、改質器１６に設けられているラムダセンサ３４に結合されている。同様に、アノードに入る総モル流量
【００６１】
【数２１】
2010503953.tif 000023
【００６２】
を得るために、コントローラ２６は以下の式を使用する。
【００６３】
【数２２】
2010503953.tif 000024
【００６４】
係数ｂｉと同様に、係数ａｉもまた経験的に確立される。経験的に得られるこれら係数により、対応する計算で使用される特性を生成することができることが特に可能である。さらに、
【００６５】
【数２３】
2010503953.tif 000025
【００６６】
は、改質器１６に供給されるガスの総モル流量に対する表記である。この式を、改質器に入る必要な総モル流量
【００６７】
【数２４】
2010503953.tif 000026
【００６８】
を計算するために以下の式によって導出することができる。
【００６９】
【数２５】
2010503953.tif 000027
【００７０】
ここで、ｎは、使用されまたは改質器に供給される燃料の炭素比であり、ｍはかかる燃料の水素比である。さらに、ＰＲｅｆは改質器１６の出力であり、ワットの単位で表され、ｈｕ，ｆｕｅｌは、燃料の下方の所定の発熱量であり、Ｊ／ｋｇの単位で表され、Ｍｆｕｅｌは燃料のモル質量であり、これら変数はすべて既知である。したがって、上述したような要件が満足される場合、コントローラ２６によってアノード変換度を推定することができる。それは、この目的に必要なすべての変数が、検知されるか、または上述したように、コントローラ２６によりさらなる式を用いて導出されるためである。
【００７１】
上記説明及び図面において開示されかつ請求項に記載されている本発明の特徴は、本発明を単独または任意の組合せの両方で達成する上で不可欠であり得るということが理解される。
【符号の説明】
【００７２】
１０…燃料電池システム、１２…燃料供給器、１４…空気供給器、１６…改質器、１８…カソード空気供給器、２０…燃料電池スタック、２２…アフタバーナ空気供給器、２４…アフタバーナ、２６…コントローラ、２８…電流計、３０…流量計、３２…ラムダセンサ、３４…ラムダセンサ
【図１】
2010503953.tif 000037
【国際調査報告】
2010503953.tif 000038
2010503953.tif 000039
2010503953.tif 000040
2010503953.tif 000041