(57)【要約】      （修正有）【課題】リアルタイムで燃料電池スタックの燃料利用率を得て、燃料電池システムの燃料利用率についての動作境界をリアルタイムで予測および更新するシステム、燃料欠乏と炭素付着を同時に防ぐ燃料電池システムの動作および制御を提供する。【解決手段】燃料電池システム２００は、電力を発生させるための燃料電池スタック１２を備えたアノード再循環ループ１１と、アノード再循環ループの中に供給される燃料の燃料流量を測定する流量計と、燃料電池スタックから引き出された電流を測定する電流測定装置と、アノード再循環ループにおけるリサイクル率を測定するリサイクル率測定装置２３と、測定された燃料流量、測定された電流および測定されたリサイクル率に基づいて燃料電池スタックの燃料利用率を推定するプロセッサとを備える。【選択図】図２
2017216230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を発生させるための燃料電池スタック（１２）を備えたアノード再循環ループ（１１）と、
前記アノード再循環ループ（１１）の中に供給される燃料の燃料流量を測定する流量計（２１）と、
前記燃料電池スタック（１２）から引き出された電流を測定する電流測定装置（２２）と、
前記アノード再循環ループ（１１）におけるリサイクル率を測定するリサイクル率測定装置（２３）と、
前記測定された燃料流量、前記測定された電流、および前記測定されたリサイクル率に基づいて前記燃料電池スタック（１２）の燃料利用率を推定するプロセッサ（３）と
を備える燃料電池システム（１００）。
【請求項２】
前記燃料電池スタック（１２）は、アノード入口（１２１１）およびアノード出口（１２１２）を有するアノード（１２１）と、カソード（１２２）とを備え、前記燃料電池スタック（１２）は、前記カソード（１２２）に供給された酸素を用いて電力を発生させるように構成され、前記アノード再循環ループ（１１）は、
前記燃料電池スタック（１２）の前記アノード出口（１２１２）から前記燃料および廃ガスを受け取るとともに、改質器出口で改質油を発生させる燃料改質器をさらに備え、前記改質器出口における前記改質油は、前記アノード入口（１２１１）へ戻るように再循環される再循環された改質油とスリップ改質油とに分割され、前記アノード再循環ループ（１１）における前記リサイクル率は、前記再循環された改質油と前記改質油の流量比として定められる
請求項１記載の燃料電池システム（１００）。
【請求項３】
前記プロセッサ（３）は、前記燃料電池スタック（１２）の前記燃料利用率、前記システムの燃料利用率、および前記アノード再循環ループ（１１）における前記リサイクル率の間でマッピング関係を定める燃料利用率モデル（３１）を備え、前記プロセッサ（３）は、前記測定された燃料流量、前記測定された電流、および前記燃料電池スタック（１２）の燃料電池の個数に基づいて前記システムの前記燃料利用率を計算し、前記システムの前記計算された燃料利用率および前記測定されたリサイクル率に従って前記燃料利用率モデル（３１）から前記燃料電池スタック（１２）の前記燃料利用率を決定するように構成されている、請求項１記載の燃料電池システム（１００）。
【請求項４】
前記燃料電池スタック（１２）の前記推定された燃料利用率に基づいて燃料欠乏を防ぐように前記システムを制御するコントローラ（４）
をさらに備える、請求項１記載の燃料電池システム（１００）。
【請求項５】
燃料流量調節器（１５０）をさらに備え、前記燃料電池スタック（１２）の前記推定された燃料利用率が前記燃料電池スタック（１２）の燃料利用率上限に近いときに、前記コントローラ（４）は、前記アノード再循環ループ（１１）の中に供給された前記燃料流量を増大させるように前記燃料流量調節器（１５０）を制御し、前記燃料電池スタック（１２）の前記推定された燃料利用率が前記燃料電池スタック（１２）の燃料利用率下限に近いときに、前記コントローラ（４）は、前記アノード再循環ループ（１１）の中に供給された前記燃料流量を減少させるように前記燃料流量調節器（１５０）を制御する、請求項４記載の燃料電池システム（１００）。
【請求項６】
パワーコンディショニング装置（５２）をさらに備え、前記燃料電池スタック（１２）の前記推定された燃料利用率が前記燃料電池スタック（１２）の燃料利用率上限に近いときに、前記コントローラ（４）は、前記燃料電池スタック（１２）から引き出された前記電流を減少させるように前記パワーコンディショニング装置（５２）を制御し、前記燃料電池スタック（１２）の前記推定された燃料利用率が前記燃料電池スタック（１２）の燃料利用率下限に近いときに、前記コントローラ（４）は、前記燃料電池スタック（１２）から引き出された前記電流を増大させるように前記パワーコンディショニング装置（５２）を制御する、請求項４記載の燃料電池システム（１００）。
【請求項７】
リサイクル率調整装置（５３）をさらに備え、前記燃料電池スタック（１２）の前記推定された燃料利用率が前記燃料電池スタック（１２）の燃料利用率上限に近いときに、前記コントローラ（４）は、前記アノード再循環ループ（１１）における前記リサイクル率を増大させるように前記リサイクル率調整装置（５３）を制御し、前記燃料電池スタック（１２）の前記推定された燃料利用率が前記燃料電池スタック（１２）の燃料利用率下限に近いときに、前記コントローラ（４）は、前記アノード再循環ループ（１１）における前記リサイクル率を減少させるように前記リサイクル率調整装置（５３）を制御する、請求項４記載の燃料電池システム（１００）。
【請求項８】
電力を発生させるための燃料電池スタック（１２）を有するアノード再循環ループ（１１）を備えた燃料電池システム（１００）を動作する方法であって、
前記アノード再循環ループ（１１）へ燃料を補給するステップと、
前記燃料電池スタック（１２）のカソード（１２２）へ酸素を補給するステップと、
前記アノード再循環ループ（１１）の中に供給される前記燃料の燃料流量を測定するステップと、
前記燃料電池スタック（１２）から引き出された電流を測定するステップと、
前記アノード再循環ループ（１１）におけるリサイクル率を測定するステップと、
前記測定された燃料流量、前記測定された電流、および前記測定されたリサイクル率に基づいて、前記燃料電池スタック（１２）の燃料利用率を推定するステップと
を含む方法。
【請求項９】
前記燃料電池スタック（１２）の前記燃料利用率、前記システムの燃料利用率、およぶ前記アノード再循環ループ（１１）における前記リサイクル率の間でマッピング関係を定める燃料利用率モデル（３１）を予め確立するステップ
をさらに含み、
前記燃料電池スタック（１２）の前記燃料利用率を推定するステップは、前記測定された燃料流量、前記測定された電流、および前記燃料電池スタック（１２）の燃料電池の個数に基づいて前記システムの燃料利用率を計算するステップと、前記システムの前記計算された燃料利用率および前記測定されたリサイクル率に従って前記燃料利用率モデル（３１）から前記燃料電池スタック（１２）の前記燃料利用率を決定するステップとを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記燃料電池スタック（１２）の前記推定された燃料利用率に基づいて燃料欠乏を防ぐように前記システムを制御するステップ
をさらに含む、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記システムを制御するステップは、
前記燃料電池スタック（１２）の前記推定された燃料利用率が、前記燃料電池スタック（１２）の燃料利用率上限または下限に近いときに、警告信号を発生させるまたは通知を送信するステップを含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記システムを制御するステップは、
前記燃料電池スタック（１２）の前記推定された燃料利用率が、前記燃料電池スタック（１２）の燃料利用率上限または前記下限に近いときに、前記アノード再循環ループ（１１）の中に供給された前記燃料流量、前記燃料電池スタック（１２）から引き出された前記電流、および前記アノード再循環ループ（１１）における前記リサイクル率のうちの１つまたは複数を調整するステップを含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
燃料電池システム（１００）であって、
電力を発生させるための燃料電池スタック（１２）を備えたアノード再循環ループ（１１）であって、燃料が前記アノード再循環ループ（１１）の中に供給されるアノード再循環ループ（１１）と、
前記アノード再循環ループ（１１）におけるリサイクル率を測定するリサイクル率測定装置（２３）と、
プロセッサ（３）であって、
前記燃料電池スタック（１２）の燃料利用率、前記システムの燃料利用率、および前記アノード再循環ループ（１１）における前記リサイクル率の間でマッピング関係を定める燃料利用率モデル（３１）を備えたプロセッサ（３）と
を備え、
前記プロセッサ（３）は、前記測定されたリサイクル率および前記燃料電池スタック（１２）の所与の燃料利用率上限に従って、前記燃料利用率モデル（３１）から前記システムの燃料利用率上限を予測するように構成されている燃料電池システム（１００）。
【請求項１４】
前記アノード再循環ループ（１１）の中に供給される前記燃料の燃料流量を測定する流量計（２１）と、
前記燃料電池スタック（１２）から引き出された電流を測定する電流測定装置（２２）であって、前記プロセッサ（３）は、前記測定された燃料流量、前記測定された電流、および前記燃料電池スタック（１２）の燃料電池の個数に基づいて前記システムの燃料利用率を計算するように構成されている電流測定装置（２２）と、
前記システムの前記予測された燃料利用率上限および前記システムの前記計算された燃料利用率に基づいて燃料欠乏を防ぐように前記システムを制御するコントローラ（４）と
をさらに備える、請求項１３記載の燃料電池システム（１００）。
【請求項１５】
前記プロセッサ（３）は、
前記システムの前記燃料利用率と前記アノード再循環ループ（１１）における蒸気／炭素比との間のマッピング関係を定める蒸気／炭素比モデル（３２）をさらに備え、
前記プロセッサ（３）は、前記アノード再循環ループ（１１）における所与の蒸気／炭素比下限に従って、前記蒸気／炭素比モデル（３２）から前記システムの燃料利用率下限を予測するようにさらに構成されている、請求項１３記載の燃料電池システム（１００）。
【請求項１６】
前記アノード再循環ループ（１１）の中に供給された燃料流量を測定する流量計（２１）と、
前記燃料電池スタック（１２）から引き出された電流を測定する電流測定装置（２２）であって、前記測定された燃料流量、前記測定された電流、および前記燃料電池スタック（１２）の燃料電池の個数に基づいて前記プロセッサ（３）は前記システムの燃料利用率を計算するように構成されている電流測定装置（２２）と、
前記システムの前記予測された燃料利用率上限、前記システムの前記予測された燃料利用率下限、および前記システムの前記計算された燃料利用率に基づいて燃料欠乏および炭素付着を防ぐように前記システムを制御するコントローラ（４）と
をさらに備える、請求項１５記載の燃料電池システム（１００）。
【請求項１７】
前記プロセッサ（３）は、
前記システムの前記予測された燃料利用率上限、前記システムの前記予測された燃料利用率下限、および前記システムの前記計算された燃料利用率に基づいて燃料流量トリム、電流トリム、およびリサイクル率トリムのうちの１つまたは複数のトリムを決定する燃料利用率制約モジュール（３３）をさらに備え、
前記コントローラ（４）は、前記１つまたは複数の決定されたトリムに基づいて前記システムを制御するように構成されている、請求項１６記載の燃料電池システム（１００）。
【請求項１８】
前記コントローラ（４）は、前記１つまたは複数の決定されたトリムを用いることによって燃料流量設定点、電流設定点、およびリサイクル率設定点のうちの１つまたは複数の対応する設定点を補正し、１つまたは複数の補正された設定点に基づいて前記システムを制御するように構成されている、請求項１７記載の燃料電池システム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、燃料電池の分野に関し、より詳細には、燃料電池システムおよびこの燃料電池システムを動作する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素などの燃料と大気中に含まれた酸素などの酸化剤の電気化学反応によって、燃料からの化学エネルギーを電気エネルギーに変換することができる電気化学装置である。燃料電池システムは、燃料電池が環境的に優れており、非常に効率がよいので、エネルギー供給システムとして幅広く開発されている。システム効率および燃料利用率を改善するとともに、外部から水を使用することを減少させるために、通常、燃料電池システムは、アノード再循環ループを備える。単一の燃料電池は、１Ｖの電圧を発生できるのに過ぎないので、したがって、所望の電圧を得るために、複数の燃料電池が、通常共にスタックされる（通常、燃料電池スタックと呼ばれる）。
【０００３】
燃料利用率（ＵＦ：ｆｕｅｌ  ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ）は、燃料電池システムにおける重要な変数である。燃料利用率は、燃料電池のアノードにおける消費された相当水素と正味利用可能な相当水素の比を示す。混合ガスの相当水素は、各種のモル流量を各種が生成することができる水素の個数で乗じた総計を示す。
【０００４】
この燃料利用率は、燃料電池システムの効率に影響し得る。高い燃料利用率は、燃料電池システムの燃費を高めることができ、その結果、高い燃料利用率は、燃料電池システムの燃費が高いことを示唆する。しかしながら、燃料利用率が増大すると、燃料電池のアノード内において水素などの燃料の存在が不十分となるので、燃料欠乏のリスクも増大することになる可能性があり、これによりアノードが酸化することによって取り返しがつかない燃料電池の損傷を引き起こし得る。
【０００５】
したがって、燃料利用率の厳格な制御は、燃料欠乏を防ぐとともにシステム効率を改善するために重要な役割を果たし得る。しかしながら、リサイクル流量、メタン（ＣＨ4）、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ2）、二酸化炭素（ＣＯ2）、および水蒸気（Ｈ2Ｏ）をリアルタイムで測定することが困難であるので、燃料電池スタックの燃料利用率を測定するのは困難である。（燃料電池スタックから引き出された電流およびアノード再循環ループの中に供給される燃料流量によってもっぱら定められる）燃料電池システムの燃料利用率が燃料電池の動作および制御に用いられてきたが、燃料電池システムの燃料利用率と燃料電池スタックの燃料利用率の間に明確な関係がないので、燃料電池システムの燃料利用率についての動作境界は、通常試行錯誤によって決定される。
【０００６】
したがって、容易に測定される変数を用いてリアルタイムで燃料電池スタックの燃料利用率を得るシステムが必要とされている。燃料電池システムの燃料利用率についての動作境界をリアルタイムで予測および更新するシステムがさらに必要とされている。燃料欠乏および炭素付着を同時に防ぐように燃料電池システムを動作および制御することがまたさらに必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第９１０５８９５号明細書
【発明の概要】
【０００８】
一実施形態では、本開示は、燃料電池システムを提供する。この燃料電池システムは、アノード再循環ループと、流量計と、電流測定装置と、リサイクル率測定装置と、プロセッサとを備える。アノード再循環ループは、電力を発生させるための燃料電池スタックを備える。流量計は、アノード再循環ループの中に供給される燃料の燃料流量を測定するように構成されている。電流測定装置は、燃料電池スタックから引き出された電流を測定するように構成されている。リサイクル率測定装置は、アノード再循環ループにおけるリサイクル率を測定するように構成されている。プロセッサは、測定された燃料流量、測定された電流、および測定されたリサイクル率に基づいて、燃料電池スタックの燃料利用率を推定するように構成されている。
【０００９】
別の実施形態では、本開示は、電力を発生させるための燃料電池スタックを有するアノード再循環ループを備えた燃料電池システムを動作する方法を提供する。この方法は、アノード再循環ループへ燃料を補給するステップと、燃料電池スタックのカソードへ酸素を補給するステップと、アノード再循環ループの中に供給される燃料の燃料流量を測定するステップと、燃料電池スタックから引き出された電流を測定するステップと、アノード再循環ループにおけるリサイクル率を測定するステップと、測定された燃料流量、測定された電流、および測定されたリサイクル率に基づいて、燃料電池スタックの燃料利用率を推定するステップとを含む。
【００１０】
さらに別の実施形態では、本開示は、燃料電池システムを提供する。燃料電池システムは、アノード再循環ループと、リサイクル率測定装置と、プロセッサとを備える。アノード再循環ループは、電力を発生させるための燃料電池スタックを備える。燃料は、アノード再循環ループの中に供給される。リサイクル率測定装置は、アノード再循環ループにおけるリサイクル率を測定するように構成されている。プロセッサは、燃料電池スタックの燃料利用率、システムの燃料利用率、およびアノード再循環ループにおけるリサイクル率の間でマッピング関係を定める燃料利用率モデルを含む。プロセッサは、測定されたリサイクル率および燃料電池スタックの所与の燃料利用率上限に従って、燃料利用率モデルからシステムの燃料利用率上限を予測するように構成されている。
【００１１】
本開示のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読んだときにより良く理解されよう。ここで、同じ符号は、図面全体を通じて同じ部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】アノード再循環ループを有する典型的な燃料電池システムの概略ブロック図である。
【図２】本開示の一実施形態による燃料電池システムの概略ブロック図である。
【図３】本開示の一実施形態による燃料電池システムを動作させる典型的な方法の流れ図である。
【図４】本開示の別の実施形態によるプロセッサの概略図である。
【図５】本開示の別の実施形態による燃料電池システムの概略ブロック図である。
【図６】本開示の別の実施形態による燃料電池システムを動作させる典型的な方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本開示の実施形態は、添付図面を参照して以下本明細書中に説明される。不要な詳細において本開示を不明瞭にするのを防ぐために、以下の説明では、よく知られている機能または構造については詳細に説明されない。
【００１４】
別段の定めがない限り、本明細書中に使用されている科学技術用語は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書中に用いられているような用語「第１の」、「第２の」、「第３の」などは、何らかの順序、数量、または重要性を示すものでなく、むしろある要素と別の要素を区別するために使用される。また、用語「ａ」および「ａｎ」は、数量の限定を示すものではなく、むしろ言及された項目が少なくとも１つ存在することを示す。用語「または」は、包括的であることが意味され、挙げた項目のいずれかまたは全部を意味する。「含む、備える（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、および本明細書中のそれらの均等物を使用することは、その後に挙げられる項目、および追加の項目と同様にそれらの均等物を包含することが意図されている。さらに、用語「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」および「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、物理的または機械的接続または結合に限定されず、直接または間接のいずれかで電気的な接続または結合を含むことができる。
アノード再循環ループを備えた燃料電池システム
図１は、典型的な燃料電池システム１００の概略ブロック図を示す。図１に示されるように、典型的な燃料電池システム１００は、アノード再循環ループ１１を備える。アノード再循環ループ１１は、電力を発生させるための燃料電池スタック１２を備える。燃料電池スタック１２は、共にスタックされた複数の燃料電池を備えることができる。燃料電池スタック１２は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）等などの高温燃料電池と、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）等などの低温燃料電池との両方に適用可能であり得る。
【００１５】
燃料電池スタック１２は、アノード１２１と、カソード１２２と、電解質１２３とを備える。燃料電池スタック１２のアノード１２１は、アノード入口１２１１とアノード出口１２１２とを有する。
【００１６】
アノード１２１は、電気を発生させる電気化学反応をサポートすることができる。合成ガスは、電解質１２３を通じた拡散によってカソード１２２から受信した酸素イオンを用いてアノード１２１において酸化することができる。この反応は、熱と、水蒸気と、アノード１２１における自由電子の形態の電気とを生成することができ、これはエネルギー消費装置１８へ電力を補給するために使用することができる。酸素イオンは、エネルギー消費装置１８からカソード１２２の中に戻る電子を用いてカソード酸化剤の酸素還元によって生成することができる。
【００１７】
エネルギー消費装置１８は、燃料電池システム１００から電流を引き出すように、または燃料電池システム１００へ電気的負荷を加えるようになされている。エネルギー消費装置１８は、器具、電灯、または照明組立体、機器（家庭用機器または他の機器など）、家庭用住居もしくは他の住居、オフィス、または他の商業施設、コンピュータ、信号設備または通信設備などを含み得るが、それらに限定されない。
【００１８】
カソード１２２は、大気中の酸素などのカソード酸化剤源に結合することができる。カソード酸化剤は、電力発生時に燃料電池システム１００によって用いられるカソード１２２に補給される酸化剤として定義される。カソード１２２は、カソード酸化剤から受け取った酸素イオンに対して透過可能であり得る。
【００１９】
電解質１２３は、アノード１２１およびカソード１２２と通信することができる。電解質１２３は、酸素イオンをカソード１２２からアノード１２１へ通すように構成することができるとともに、カソード１２２からアノード１２１への自由電子の通過を防ぐようにほとんどまたは全く電気伝導性を有さないことができる。
【００２０】
燃料電池システム１００は、燃料を供給する燃料補給装置１４と、アノード再循環ループ１１へ燃料を送出する燃料送出装置１５とを備える。燃料は、ガス状または液状であり得る。そのような燃料の例は、限定するものではないが、メタン、エタン、プロパン、バイオガス、天然ガス、合成ガス、ディーゼル、灯油、ガソリンなどを含むことができる。燃料送出装置１５は、アノード再循環ループ１１の中に供給される燃料流量を調節する燃料流量調節器１５０を備えることができる。
【００２１】
有毒であり燃料改質のもっと後の段に使用される触媒を結合する傾向がある燃料中の硫黄などの望ましくない成分を削減または除去するために、燃料電池システム１００は、燃料浄化装置１６をさらに備えることができる。燃料浄化装置１６は、燃料から望ましくない成分の濃度を削減または除去するように構成されている。しかしながら、燃料浄化装置１６は、メタン、エタン、およびプロパン等などの純粋な燃料に対しては省かれてもよい。
【００２２】
したがって、アノード再循環ループ１１の中に供給される燃料は、燃料補給装置１４によって供給された燃料または燃料浄化装置１６によって浄化された燃料を含むことができる。
【００２３】
一実施形態では、図１に示されるように、アノード再循環ループ１１は、燃料改質器１３をさらに備えることができる。燃料改質器１３は、改質器入口１３１と改質器出口１３２とを有する。燃料電池スタック１２のアノード出口１２１２は、燃料改質器１３の改質器入口１３１に結合することができ、燃料改質器１３の改質器出口１３２は、アノード再循環ループ１１を形成するように燃料電池スタック１２のアノード入口１２１１へ戻される。
【００２４】
燃料改質器１３は、燃料電池スタック１２のアノード出口１２１２から燃料および廃ガスを受け取るとともに、燃料および廃ガスから改質器出口１３２で改質油Ｓを発生させるように構成することができる。改質油Ｓは、水素（Ｈ2）リッチガスを含むとともに、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、水蒸気（Ｈ2Ｏ）、およびメタン（ＣＨ4）などの燃料のスリップも含むことができる。改質器出口１３２における改質油Ｓは、再循環された改質油Ｓ1とスプリット位置Ｑにおけるスリップ改質油Ｓ2とに分割することができる。再循環された改質油Ｓ1は、アノード入口１２１１へ戻るように再循環される。
【００２５】
燃料電池システム１００が動作時であるとき、燃料は、アノード再循環ループ１１、特に本実施形態では燃料改質器１３の改質器入口１３１へ補給され、酸素、例えば大気中に含有される酸素は、燃料電池スタック１２のカソード１２２へ補給される。燃料改質器１３では、燃料は、化学反応によって水素を発生させるように改質することができる。例えば、炭化水素燃料の場合、炭化水素燃料は、以下の蒸気変質反応（１）によって一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ2）に変換され、一酸化炭素および水蒸気（Ｈ2Ｏ）は、以下の水ガスシフト反応（２）によって二酸化炭素（ＣＯ2）および水素に変換される。
【００２６】
【数１】
2017216230.tif 000003
任意の炭化水素燃料を使用することができるが、それは、簡単にするために以下燃料の例示的な一例としてメタン（ＣＨ4）を使用する。メタン（ＣＨ4）が燃料として使用されるとき、上記の蒸気変質反応（１）は、以下の通りに修正することができる。
【００２７】
【数２】
2017216230.tif 000004
再循環された改質油Ｓ1は、燃料電池スタック１２のアノード入口１２１１へ戻される。燃料電池スタック１２のアノード１２１では、再循環された改質油Ｓ1とカソード１２２からの酸素イオンとが混合され、電力と熱を発生させるように以下の反応（４）を通じて水蒸気に変換される。
【００２８】
【数３】
2017216230.tif 000005
別の実施形態では、燃料電池スタック１２は、別個の燃料改質器１３を用いずに内部改質機能を有することができる。そのような状況下では、燃料電池スタック１２のアノード出口１２１２は、アノード再循環ループ１１を形成するようにアノード入口１２１１へ直接戻され得る。したがって、燃料電池スタック１２のアノード１２１では、蒸気変質反応（１）または（３）、および上記の水ガスシフト反応（２）は、やはり行われる。
【００２９】
図１を続けて参照すると、燃料電池システム１００は、内燃機関を含むボトミングサイクル１７をさらに備えることができる。改質油Ｓのスリップ改質油Ｓ2は、ボトミングサイクル１７へ分流される。内燃機関は、スリップ改質油Ｓ2に応じて発電効率の増加をもたらすためにさらなる電気を発生させるように駆動され、冗長の一部は、内燃機関から排気として排出される。
【００３０】
以下により詳細に説明されるように、燃料電池システム１００における燃料電池スタック１２の燃料利用率（ＵＦ）を推定し、燃料電池スタック１２の推定された燃料利用率に基づいて燃料電池システム１００を制御することが望ましい物であり得る。
実施形態１
燃料電池スタックの燃料利用率推定
図２は、本開示の一実施形態による燃料電池システム２００の概略ブロック図を示す。図２を参照すると、図１と比較して、本開示の実施形態による燃料電池システム２００は、流量計２１と、電流測定装置２２と、リサイクル率（ＲＲ）測定装置２３と、プロセッサ３とをさらに備えることができる。流量計２１は、アノード再循環ループ１１の中に供給される燃料流量ｆfuelを測定することができる。電流測定装置２２は、燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉを測定することができる。ＲＲ測定装置２３は、アノード再循環ループ１１におけるリサイクル率ＲＲを測定することができる。ＲＲ測定装置２３についての詳細は、米国特許出願第２０１６０１０４９０６（Ａ１）号を参照してもよく、その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。アノード再循環ループ１１におけるリサイクル率ＲＲは、再循環された改質油Ｓ1と改質油Ｓの流量比として定められる。プロセッサ３は、測定された燃料流量ｆfuel、測定された電流Ｉ、および測定されたリサイクル率ＲＲに基づいて、燃料電池スタック１２の燃料利用率ＵＦfc_estをリアルタイムで推定していることができる。
【００３１】
一実施形態では、プロセッサ３は、以下の式、すなわち、
【００３２】
【数４】
2017216230.tif 000006
に従って、測定された燃料流量ｆfuel、測定された電流Ｉ、および燃料電池スタック１２の燃料電池の個数に基づいてシステム２００の燃料利用率ＵＦsysを計算することができる。
【００３３】
ただし、ＵＦsysはシステム２００の燃料利用率を表し、Ｉは燃料電池スタック１２から引き出された電流を表し、Ｎは燃料電池スタック１２の燃料電池の個数を表し、ｆfuelはアノード再循環ループ１１の中に供給される燃料流量を表し、Ｆはファラデー定数を表す。
【００３４】
プロセッサ３は、燃料利用率（ＵＦ）モデル３１を備えることができる。ＵＦモデル３１は、燃料電池スタック１２の燃料利用率ＵＦfc、システム２００の燃料利用率ＵＦsys、アノード再循環ループ１１におけるリサイクル率ＲＲの間でマッピング関係を定めることができる。
【００３５】
プロセッサ３は、システム２００の計算された燃料利用率ＵＦsysおよび測定されたリサイクル率ＲＲに従って、ＵＦモデル３１から燃料電池スタック１２の燃料利用率ＵＦfc_estを決定することができる。
【００３６】
一例として、ＵＦモデル２４１は、以下の式、すなわち、
【００３７】
【数５】
2017216230.tif 000007
を含むことができる。
【００３８】
したがって、アノード再循環ループ１１の中に供給された燃料流量ｆfuel、燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉ、およびアノード再循環ループ１１におけるリサイクル率ＲＲが測定される限り、燃料電池スタック１２の燃料利用率ＵＦfc_estは、上記式（５）〜（７）に従って容易に推定することができる。
【００３９】
上記式（７）の有効性は、高い忠実性の第１の原理コンピュータモデルに対しての以下の比較試験（表１参照）によって示すことができる。燃料電池スタック１２が８００℃の温度にある条件において、アノード再循環ループ１１におけるリサイクル率ＲＲ、燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉ、およびアノード再循環ループ１１の改質器入口１３１の中に供給されるメタン流量
【００４０】
【数６】
2017216230.tif 000008
を変えることによって、試験データは、燃料電池システム２００に生成され得る。
【００４１】
【表１】
2017216230.tif 000009
ただし、Ｔstackは燃料電池スタック１２の温度を表し、ＵＦfc_estは式（７）による燃料電池スタック１２の推定された燃料利用率を表し、ＵＦfc_simは高い忠実性の第１の原理コンピュータモデルによる燃料電池スタック１２のシミュレートされた燃料利用率を表し、ＲＥは推定された燃料利用率ＵＦfc_estとシミュレートされた燃料利用率ＵＦfc_simとの間の相対誤差を表す。上記表１から、平均絶対相対誤差は１．２％であり、一方、最大絶対相対誤差は２％であり、これは燃料電池業界における工学的標準誤差（例えば５％）より低い。したがって、比較結果は、式（７）からの予測は、高い忠実性の第１の原理コンピュータモデルからの結果とよく一致することができることを示す。
【００４２】
たくさんのシミュレーション試験データに従って、上記式（７）は、以下の回帰式、
【００４３】
【数７】
2017216230.tif 000010
としておおよそ表すことができる。
燃料電池スタックの推定された燃料利用率に基づく燃料欠乏防止
図２を続けて参照すると、燃料電池システム２００における燃料欠乏を防止するために、燃料電池スタック１２の推定された燃料利用率ＵＦfc_estをより良く利用するように、燃料電池システム２００は、コントローラ４をさらに備えることができる。コントローラ４は、燃料電池スタック１２の推定された燃料利用率ＵＦfc_estに基づいて燃料電池システム２００を制御することができる。燃料電池スタック１２の燃料利用率上限、および燃料電池スタック１２の燃料利用率下限は、コントローラ４に予め記憶することができる。
【００４４】
燃料電池システム２００を制御することは、燃料電池システム２００のパラメータを調整することを含み得る。
【００４５】
例えば、一実施形態では、燃料電池スタック１２の推定された燃料利用率ＵＦfc_estが燃料電池スタック１２の燃料利用率上限に近いときに、コントローラ４は、燃料電池システム２００の燃料流量調節器１５０へ調整命令を送信することができる。燃料流量調節器１５０は、燃料欠乏を防ぐように調整命令に応じて、アノード再循環ループ１１の中に供給された燃料流量ｆfuelを増大させることが。燃料電池スタック１２の推定された燃料利用率ＵＦfc_estが燃料電池スタック１２の燃料利用率下限に近いときに、コントローラ４は、アノード再循環ループ１１の中に供給された燃料流量ｆfuelを減少させるように燃料流量調節器１５０を制御することができる。
【００４６】
別の実施形態では、本開示の燃料電池システム２００は、パワーコンディショニング装置５２をさらに備えることができる。パワーコンディショニング装置５２は、（図１に示されるように）燃料電池スタック１２をエネルギー消費装置１８に接続するために使用することができる。パワーコンディショニング装置５２は、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＤＣ−ＡＣインバータ、またはＤＣ−ＤＣコンバータとＤＣ−ＡＣインバータの組み合わせを含むことができる。燃料電池スタック１２の推定された燃料利用率ＵＦfc_estが燃料電池スタック１２の燃料利用率上限に近いときに、コントローラ４は、パワーコンディショニング装置５２へ調整命令を送信することができる。パワーコンディショニング装置５２は、燃料欠乏を防ぐように調整命令に応じて燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉを減少させることができる。燃料電池スタック１２の推定された燃料利用率ＵＦfc_estが燃料電池スタック１２の燃料利用率下限に近いときに、コントローラ４は、燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉを増大させるようにパワーコンディショニング装置５２を制御することができる。
【００４７】
さらに別の実施形態では、本開示の燃料電池システム２００は、リサイクル率（ＲＲ）調整装置５３をさらに備えることができる。燃料電池スタック１２の推定された燃料利用率ＵＦfc_estが燃料電池スタック１２の燃料利用率上限に近いときに、コントローラ４は、ＲＲ調整装置５３へ調整命令を送信することができる。ＲＲ調整装置５３は、燃料欠乏を防ぐように調整命令に応じてアノード再循環ループ１１におけるリサイクル率ＲＲを増大させることができる。燃料電池スタック１２の推定された燃料利用率ＵＦfc_estが燃料電池スタック１２の燃料利用率下限に近いときに、コントローラ４は、アノード再循環ループ１１におけるリサイクル率ＲＲを減少させるようにＲＲ調整装置５３を制御することができる。ＲＲ調整装置５３は、例えば、Ｓ2での排気ラインにおけるアノードブロワまたは流量制御弁であり得る。リサイクル率ＲＲは、アノードブロワ速度または流量制御弁開度を調整することによって調節することができる。
【００４８】
燃料電池スタック１２の推定された燃料利用率ＵＦfc_estが燃料利用率上限または燃料電池スタック１２の下限に近いときに、コントローラ４は、燃料欠乏を防ぐように、燃料流量調節器１５０、パワーコンディショニング装置５２、およびＲＲ調整装置５３のうちの１つまたは複数を制御することもできる。
【００４９】
確かに、燃料電池システム２００を制御することは、燃料電池システム２００を監視することだけを含むこともできる。例えば、燃料電池スタック１２の推定された燃料利用率ＵＦfc_estが燃料利用率上限または燃料電池スタック１２の下限に近いときに、コントローラ４は、燃料欠乏を防ぐために対応するアクションをとるようにシステムオペレータに知らせるように、オペレータインタフェース（例えば、ヒューマンマシンインタフェース）に警告信号を発生させるだけでもよく、または単に電子メールまたはテキストメッセージを介してシステムオペレータへ通知を送信するだけでもよい。
【００５０】
本開示のコントローラ４は、マルチコアコントローラとすることができる。プロセッサ３は、コントローラ４に組み込むことができる。
【００５１】
本開示の燃料電池システム２００は、アノード再循環ループ１１の中に供給された燃料流量ｆfuel、燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉ、およびアノード再循環ループ１１におけるリサイクル率ＲＲを用いて、燃料電池スタック１２の燃料利用率ＵＦfc_estを容易にかつリアルタイムで推定することができる。さらに、本開示の燃料電池システム２００は、燃料電池スタック１２の推定された燃料利用率ＵＦfc_estに従ってよく制御することができ、したがって、燃料電池システム２００の燃料欠乏は、有効に防ぐことができる。本開示の燃料電池スタック１２のリアルタイムで推定された燃料利用率ＵＦfc_estは、さらなる高価なガス分析器または別個のプロセスを用いることなく、動作の可観測性を改善するとともに動作中の装置の健全性を改善することができ、これによって、本開示の燃料電池システム２００が高い信頼性および柔軟性を有するとともに、運転コストを下げることを可能にする。
燃料電池システムを動作する方法
図３は、本開示の一実施形態による燃料電池システム２００を動作する方法の流れ図を示す。
【００５２】
図３に示されるように、ブロックＢ３１では、燃料、例えばメタンなどの炭化水素燃料は、燃料電池システム２００のアノード再循環ループ１１へ補給することができる。本開示におけるアノード再循環ループ１１の中に供給される燃料は、燃料補給装置１４によって供給される燃料、または燃料浄化装置１６によって純化された燃料を含むことができる。一実施形態では、アノード再循環ループ１１は、燃料改質器１３をさらに備えることができる。燃料は、燃料改質器１３の改質器入口１３１へ供給することができる。
【００５３】
ブロックＢ３２では、酸素、例えば大気中に含有される酸素は、アノード再循環ループ１１の燃料電池スタック１２のカソード１２２へ補給されてもよい。燃料改質器１３は、燃料電池スタック１２のアノード出口１２１２から燃料および廃ガスを受け取るとともに、改質油Ｓを発生させる。次いで、改質油Ｓの再循環された改質油Ｓ1は、燃料電池スタック１２のアノード入口１２１１へ戻すことができる。燃料電池スタック１２のアノード１２１では、再循環された改質油Ｓ1とカソード１２２からの酸素イオンとが混合することができ、電力を発生させるように水蒸気に変換される。
【００５４】
ブロックＢ３３では、アノード再循環ループ１１の中に供給される燃料（例えば、メタン流量
【００５５】
【数８】
2017216230.tif 000011
の燃料流量ｆfuelは、例えば、流量計２１を用いて測定することができる。
【００５６】
ブロックＢ３４では、燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉは、例えば、電流測定装置２２を用いて測定することができる。
【００５７】
ブロックＢ３５では、アノード再循環ループ１１におけるリサイクル率ＲＲは、例えば、リサイクル率（ＲＲ）測定装置２３を用いて測定することができる。
【００５８】
ブロックＢ３６では、燃料電池スタック１２の燃料利用率ＵＦfc_estは、ブロックＢ３３における測定された燃料流量ｆfuel、ブロックＢ３４における測定された電流Ｉ、およびブロックＢ３５における測定されたリサイクル率ＲＲに基づいて推定することができる。
【００５９】
以下、ブロックＢ３６における燃料電池スタック１２の燃料利用率ＵＦfc_estの推定の仕方について図３を続けて参照しながら詳細に説明する。
【００６０】
ブロックＢ３６１では、システム２００の燃料利用率ＵＦsysは、上記式（５）に従って、測定された燃料流量ｆfuel、測定された電流Ｉ、および燃料電池スタック１２の燃料電池の個数Ｎに基づいて計算することができる。
【００６１】
ブロックＢ３６２では、燃料利用率（ＵＦ）モデル３１は、予め確立されておいてよい。ＵＦモデル３１は、燃料電池スタック１２の燃料利用率ＵＦfc、システム２００の燃料利用率ＵＦsys、およびアノード再循環ループ１１におけるリサイクル率ＲＲの間でマッピング関係を定めることができる。
【００６２】
ブロックＢ３６３では、燃料電池スタック１２の燃料利用率ＵＦfc_estは、システム２００の計算された燃料利用率ＵＦsysおよび測定されたリサイクル率ＲＲに従って、ＵＦモデル３１から決定することができる。
【００６３】
ブロックＢ３７は、燃料電池スタック１２の推定された燃料利用率ＵＦfc_estが燃料電池スタック１２の燃料利用率上限または下限に近いか判定することができる。燃料電池スタック１２の推定された燃料利用率ＵＦfc_estが燃料電池スタック１２の燃料利用率上限または下限に近いときに、本プロセスは、ブロックＢ３８へ進むことができる。そうでない場合、本プロセスは、ブロックＢ３１へ戻すことができる。
【００６４】
ブロックＢ３８では、燃料電池システム２００は、燃料電池スタック１２の推定された燃料利用率ＵＦfc_estに基づいて制御することができる。一実施形態では、燃料電池システム２００を制御することは、燃料電池システム２００を監視することだけを含むこともできる。例えば、燃料電池スタック１２の推定された燃料利用率ＵＦfc_estが燃料電池スタック１２の燃料利用率上限または下限に近いときに、燃料電池スタック１２の燃料利用率を制御するためのアクションをとるようにシステムオペレータに知らせるように、オペレータインタフェースに警告信号を発生させることができ、または通知を電子メールまたはテキストメッセージを介してシステムオペレータへ送信することができる。別の実施形態では、燃料電池システム２００を制御することは、燃料電池システム２００のパラメータを調整することを含むことができる。例えば、燃料電池スタック１２の推定された燃料利用率ＵＦfc_estが燃料電池スタック１２の燃料利用率上限または下限に近いときに、アノード再循環ループ１１の中に供給された燃料流量ｆfuel、燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉ、およびアノード再循環ループ１１におけるリサイクル率ＲＲのうちの１つまたは複数を調整することができる。
【００６５】
本開示の燃料電池システム２００を動作する方法は、動作の可観測性を改善するとともに動作中の装置性能を改善することができ、これにとよって本開示の燃料電池システム２００が高い信頼性および柔軟性を有するとともに低い運転コストとなることを可能にする。
実施形態２
燃料電池システムの燃料利用率上限予測
本開示は、別の実施形態の燃料電池システム３００をさらに提供することができる。燃料電池システム３００は、図２に示されるような燃料電池システム２００の構造の特徴の大部分を有することができる。例えば、同様に、燃料電池システム３００は、電力を発生させるための燃料電池スタック１２を有するアノード再循環ループ１１と、アノード再循環ループ１１におけるリサイクル率ＲＲを測定するリサイクル率（ＲＲ）測定装置２３とを備えることができる。
【００６６】
しかし、燃料電池システム２００とは異なり、燃料電池システム３００は、別の実施形態のプロセッサ３を備えることができる。図４は、別の実施形態のプロセッサ３の概略図を示す。図４に示されるように、プロセッサ３は、燃料利用率（ＵＦ）モデル３１を備えることができる。ＵＦモデル３１は、燃料電池スタック１２の燃料利用率ＵＦfc、システム３００の燃料利用率ＵＦsys、およびアノード再循環ループ１１におけるリサイクル率ＲＲの間でマッピング関係を定めることができる。例えば、ＵＦモデル３１は、上記式（７）を備えることができる。プロセッサ３は、（以下の式に示されるように）測定されたリサイクル率ＲＲおよび燃料電池スタック１２の所与の燃料利用率上限に従って、ＵＦモデル３１からシステム３００の燃料利用率上限を予測することができる。
【００６７】
【数９】
2017216230.tif 000012
ただし、ＵＦsys_maxはシステム３００の燃料利用率上限を表し、ＵＦfc_maxは燃料電池スタック１２の所与の燃料利用率上限を表し、ＲＲはアノード再循環ループ１１における測定されたリサイクル率を表す。
【００６８】
したがって、燃料電池スタック１２の燃料利用率上限ＵＦfc_maxが与えられ、アノード再循環ループ１１におけるリサイクル率ＲＲが測定される限り、システム３００の燃料利用率上限ＵＦsys_maxは、上記式（９）に従って容易に予測することができる。
燃料電池システムの燃料利用率下限の予測
図４を続けて参照すると、プロセッサ３は、蒸気／炭素比（ＳＣＲ）モデル３２をさらに備えることができる。ＳＣＲモデル３２は、システム３００の燃料利用率ＵＦsysとアノード再循環ループ１１における蒸気／炭素比ＳＣＲとの間のマッピング関係を定めることができる。アノード再循環ループ１１における蒸気／炭素比ＳＣＲについての定義は、中国特許出願第２０１５１０９６２８８１．Ｘ号を参照することができ、その内容は、参照により本明細書中に組み込まれる。
【００６９】
一例として、ＳＣＲモデル３２は、以下の式、
【００７０】
【数１０】
2017216230.tif 000013
を含むことができる。
【００７１】
したがって、アノード再循環ループ１１における蒸気／炭素比下限が与えられる限り、プロセッサ３は、（以下の式に示されるように）アノード再循環ループ１１における所与の蒸気／炭素比下限に従ってＳＣＲモデル３２からシステム３００の燃料利用率下限を容易に予測することができる。
【００７２】
【数１１】
2017216230.tif 000014
ただし、ＵＦsys_minはシステム３００の燃料利用率下限を表し、ＳＣＲminはアノード再循環ループ１１における所与の蒸気／炭素比下限を表す。
【００７３】
典型的な実施形態では、アノード再循環ループ１１における所与の蒸気／炭素比下限ＳＣＲminが２であり、燃料電池スタック１２の所与の燃料利用率上限ＵＦfc_maxは８０％であり、燃料電池の電圧は０．６Ｖである状況において、かつアノード再循環ループ１１における測定された異なるリサイクル率ＲＲに基づいて、システム３００の燃料利用率下限ＵＦsys_minおよびシステム３００の燃料利用率上限ＵＦsys_maxは、式（１０）および（９）に従ってそれぞれ得ることができる（表２参照）。
【００７４】
【表２】
2017216230.tif 000015
システムの予測された燃料利用率上限に基づく燃料欠乏防止
同様に、燃料電池システム３００は、アノード再循環ループ１１の中に供給される燃料の燃料流量ｆfuelを測定する流量計２１と、燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉを測定する電流測定装置２２と、コントローラ４とをさらに備えることができる。
【００７５】
プロセッサ３は、上記式（５）に従って、測定された燃料流量ｆfuel、測定された電流Ｉ、および燃料電池スタック１２の燃料電池の個数Ｎに基づいてシステム３００の燃料利用率ＵＦsysを計算することができる。
【００７６】
システム３００の予測された燃料利用率上限ＵＦsys_max、およびシステム３００の計算された燃料利用率ＵＦsysに基づいて、コントローラ４は、燃料欠乏を防ぐようにシステム３００を制御することができる。
システムの予測された燃料利用率上限およびシステムの予測された燃料利用率下限に基づく燃料欠乏および炭素付着防止
システム３００の予測された燃料利用率上限ＵＦsys_max、システム３００の予測された燃料利用率下限ＵＦsys_min、およびシステム３００の計算された燃料利用率ＵＦsysに基づいて、コントローラ４は、燃料欠乏および炭素付着を防ぐようにシステム３００をやはり制御することができる。
【００７７】
図４を続けて参照すると、プロセッサ３は、燃料利用率（ＵＦ）制約モジュール３３をさらに備えることができる。ＵＦ制約モジュール３３は、システム３００の予測された燃料利用率上限ＵＦsys_max、システム３００の予測された燃料利用率下限ＵＦsys_min、およびシステム３００の計算された燃料利用率ＵＦsysに基づいて、燃料流量トリムｆfuel_trim、電流トリムＩtrim、およびリサイクル率トリムＲＲtrimのうちの１つまたは複数のトリムを決定することができる。
【００７８】
コントローラ４は、１つまたは複数の決定されたトリムｆfuel_trim、Ｉtrim、ＲＲtrimに基づいてシステム３００を制御することができる。例えば、コントローラ４は、１つまたは複数の決定されたトリムｆfuel_trim、Ｉtrim、ＲＲtrimを用いて、燃料流量設定点ｆfuel_sp、電流設定点Ｉsp、およびリサイクル率設定点ＲＲspのうちの１つまたは複数の対応する設定点を補正し、１つまたは複数の補正された設定点に基づいてシステム３００を制御することができる。
【００７９】
図５を参照すると、燃料電池システム３００は、燃料流量調節器１５０と、パワーコンディショニング装置５２と、リサイクル率（ＲＲ）調整装置５３とを備えることができる。コントローラ４は、燃料利用率（ＵＦ）コントローラ４１と、電力コントローラ４２と、リサイクル率（ＲＲ）コントローラ４３とを含む。
【００８０】
一実施形態では、システム３００の燃料利用率設定点ＵＦsys_spおよびシステム３００の計算された燃料利用率ＵＦsysは、減算器６１へ入力することができ、次いでＵＦコントローラ４１へ入力することができ、それによって燃料流量設定点ｆfuel_spを得る。燃料流量設定点ｆfuel_spおよび決定された燃料流量トリムｆfuel_trimは、加算器６２へ入力されてもよい。加算器６２は、決定された燃料流量トリムｆfuel_trimを燃料流量設定点ｆfuel_spに加えることができ、それによって補正された燃料流量設定点を得られ、これは燃料流量調節器１５０へ送信することができる。燃料流量調節器１５０は、補正された燃料流量設定点に基づいてアノード再循環ループ１１の中に供給された燃料流量ｆfuelを調節することができる。
【００８１】
別の実施形態では、燃料電池スタック１２から測定された電力需要および出力パワーＰoは減算器６３へ入力することができ、次いで電力コントローラ４２へ入力することができ、それによって電流設定点Ｉspを得る。電力需要は、例えば、送電網または電気的負荷から来る可能性がある。電流設定点Ｉspおよび決定された電流トリムＩtrimは、加算器６４へ入力することができる。加算器６４は、決定された電流トリムＩtrimを電流設定点Ｉspへ加えることができ、それによって補正された電流設定点を得るようになり、これはパワーコンディショニング装置５２へ送られ得る。パワーコンディショニング装置５２は、補正された電流設定点に基づいて燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉを調整することができる。
【００８２】
さらに別の実施形態では、リサイクル率設定点ＲＲsp、決定されたリサイクル率トリムＲＲtrim、および測定されたリサイクル率ＲＲは、加算器／減算器６５へ入力することができる。加算器／減算器６５は、決定されたリサイクル率トリムＲＲtrimをリサイクル率設定点ＲＲspに加えることができ、それによって補正されたリサイクル率設定点を得て、補正されたリサイクル率設定点から測定されたリサイクル率ＲＲを減算し、これはＲＲコントローラ４３へ送信することができる。ＲＲコントローラ４３は、アノード再循環ループ１１におけるリサイクル率ＲＲを調整するようにＲＲ調整装置５３を制御することができる。
【００８３】
本開示の燃料電池システム３００は、システム３００の動作変数、すなわち、システム３００の燃料利用率ＵＦsysが、前もって定められた制約境界に近いまたは制約境界を越えていると、トリム調整を実行することができ、したがって本開示の燃料電池システム３００は、制約境界内で動作することが確実となり得、動作中の装置の健全性を改善する。
燃料電池システムを動作する方法
図６は、本開示の別の実施形態による燃料電池システム３００を動作する典型的な方法の流れ図を示す。
【００８４】
図６に示されるように、ブロックＢ６１では、システム３００の燃料利用率ＵＦsysは、上記式（５）に従って、測定されたアノード再循環ループ１１の中に供給される燃料流量ｆfuel、燃料電池スタック１２から引き出された測定された電流Ｉ、および燃料電池スタック１２の燃料電池の個数Ｎに基づいて計算することができる。
【００８５】
ブロックＢ６２では、システム３００の燃料利用率下限ＵＦsys_minは、上記式（１１）に従って、アノード再循環ループ１１における所与の蒸気／炭素比下限ＳＣＲminに基づいて、蒸気／炭素比（ＳＣＲ）モデル３２から予測することができる。
【００８６】
ブロックＢ６３では、システム３００の燃料利用率上限ＵＦsys_maxは、上記式（９）に従って、アノード再循環ループ１１における測定されたリサイクル率ＲＲおよび燃料電池スタック１２の所与の燃料利用率上限ＵＦfc_maxに基づいて燃料利用率（ＵＦ）モデル３１から予測することができる。
【００８７】
ブロックＢ６４は、以下の式（１２）に示されるように、システム３００の予測された燃料利用率上限ＵＦsys_maxとシステム３００の計算された燃料利用率ＵＦsysとの間の差が第１の閾値未満であるか決定することができる。式（１２）では、ａは第１の閾値を表す。
【００８８】
【数１２】
2017216230.tif 000016
ブロックＢ６５は、式（１３）に示されるように、システム３００の計算された燃料利用率ＵＦsysとシステム３００の予測された燃料利用率下限ＵＦsys_minとの間の差が第２の閾値未満であるか決定することができる。式（１３）では、ｂは第２の閾値を表す。
【００８９】
【数１３】
2017216230.tif 000017
第１の閾値ａおよび第２の閾値ｂは、システム３００の燃料利用率ＵＦsysの完全な不確実性によって決定することができる。
【００９０】
ブロックＢ６６では、燃料流量トリムｆfuel_trim、電流トリムＩtrim、およびリサイクル率トリムＲＲtrimのうちの１つまたは複数のトリム、例えば、燃料流量トリムｆfuel_trimは決定された結果に従って決定することができる。
【００９１】
ブロックＢ６６１では、システム３００の予測された燃料利用率上限ＵＦsys_maxとシステム３００の計算された燃料利用率ＵＦsysとの間の差が第１の閾値ａ未満であるとき、決定された燃料流量トリムｆfuel_trimは、以下の通り表現することができる。
【００９２】
【数１４】
2017216230.tif 000018
ブロックＢ６６２では、システム３００の計算された燃料利用率ＵＦsysとシステム３００の予測された燃料利用率下限ＵＦsys_minの間の差が第２の閾値ｂ未満であるとき、決定された燃料流量トリムｆfuel_trimは、以下の通り表現することができる。
【００９３】
【数１５】
2017216230.tif 000019
ブロックＢ６６３では、システム３００の予測された燃料利用率上限ＵＦsys_maxとシステム３００の計算された燃料利用率ＵＦsysとの間の差が第１の閾値ａ未満でなく、かつシステム３００の計算された燃料利用率ＵＦsysとシステム３００の予測された燃料利用率下限ＵＦsys_minとの間の差が第２の閾値ｂ未満でないとき、決定された燃料流量トリムｆfuel_trimは、以下の通り表現することができる。
【００９４】
【数１６】
2017216230.tif 000020
ブロックＢ６７では、燃料流量設定点ｆfuel_spは、決定された燃料流量トリムｆfuel_trimに基づいて補正することができる。一例として、決定された燃料流量トリムｆfuel_trimは、補正された燃料流量設定点を得るように燃料流量設定点ｆfuel_spへ加えことができる。
【００９５】
ブロックＢ６８では、アノード再循環ループ１１の中に供給される燃料流量ｆfuelは、補正された燃料流量設定点に基づいて制御することができる。
【００９６】
燃料流量トリムｆfuel_trimは、上記方法における１つまたは複数のトリムの例示的な一例として用いられているが、上記方法は、電流トリムＩtrimおよびリサイクル率トリムＲＲtrimに同様に適用されてもよい。
【００９７】
本開示の方法は、燃料欠乏と炭素付着の両方を有効に防ぐとともに、アノード再循環ループ１１の中に供給された燃料流量ｆfuel、燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉ、およびアノード再循環ループ１１におけるリサイクル率ＲＲなどの限られた調整可能な変数によって２つの重要な制約を解決することができる。
【００９８】
本開示の実施形態による燃料電池システム２００、３００を動作する方法のステップは、機能ブロックとして示されているが、図３および図６に示された様々なブロックの間のブロックの順序およびステップの仕切り方は、限定であることは意図されていない。例えば、ブロックは、異なる順序で実行することができ、１つのブロックに関連したステップは、１つまたは複数の他のブロックと組み合わされてもよく、いくつかのブロックに小さく分割されてもよい。
【００９９】
本開示は典型的な実施形態において図示および説明されてきたが、本開示の精神から何らかの形で逸脱することなく様々な修正および置換がなされてもよいので、図示された詳細に限定することは意図されていない。したがって、本明細書中に開示された本開示のさらなる修正および置換は、ただの日常の実験にすぎないものを用いて当業者に思い浮かび得るものであり、そのような全ての修正および均等物は、特許請求の範囲によって定められるように本開示の精神および範囲内にあると考えられる。
【符号の説明】
【０１００】
３  プロセッサ
４  コントローラ
１１  アノード再循環ループ
１２  燃料電池スタック
１３  燃料改質器
１４  燃料補給装置
１５  燃料送出装置
１６  燃料浄化装置
１７  ボトミングサイクル
１８  エネルギー消費装置
２１  流量計
２２  電流測定装置
２３  リサイクル率（ＲＲ）測定装置、ＲＲ測定装置
３１  燃料利用率（ＵＦ）モデル、ＵＦモデル
３２  蒸気／炭素比（ＳＣＲ）モデル、ＳＣＲモデル
３３  燃料利用率（ＵＦ）制約モジュール、ＵＦ制約モジュール
４１  燃料利用率（ＵＦ）コントローラ
４２  電力コントローラ
４３  リサイクル率（ＲＲ）コントローラ、ＲＲコントローラ
５２  パワーコンディショニング装置
５３  リサイクル率（ＲＲ）調整装置、ＲＲ調整装置、リサイクル率（ＲＲ）調整装置
６１  減算器
６２  加算器
６３  減算器
６４  加算器
６５  加算器／減算器
１００  燃料電池システム
１２１  アノード
１２２  カソード
１２３  電解質
１３１  改質器入口
１３２  改質器出口
１５０  燃料流量調節器
２００  燃料電池システム、システム
２４１  ＵＦモデル
３００  燃料電池システム、システム
１２１１  アノード入口
１２１２  アノード出口
【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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【外国語明細書】
2017216230000001.pdf