(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
反応ガスの２つの流れを反応させることにより作動中に電気エネルギーを生成し、燃料電池排ガス流も生成する燃料電池スタックと、
燃料電池排ガス流を受け取るよう配置され、作動中に燃料電池排ガス流の少なくとも一部を酸化ガス流中で酸化させる、酸化ユニットと、
酸化ユニットの温度を感知するよう配置された温度センサと、
前記燃料電池排ガス流の一部を酸化させるのに必要な理論量より多い酸化ガス流の量を酸化ユニットに供給する入力システムであって、供給される酸化ガス流の量と理論量との間の所望の差を達成するように供給される酸化ガスの量を制御することで、酸化ユニットの温度に応答する入力システムと、
酸化ガス流を供給する供給源と、
酸化ユニットの温度に応じて前記供給源により供給された酸化ガス流の量を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラが、理論量の酸化ガス流を決定するための理論表を格納し、コントローラは、供給源に指令して酸化ユニットに理論量を超える酸化ガス流を供給させるための制御信号を生成する場合に、理論表を使用する、
燃料電池システム。
【請求項２】
入力システムは、酸化ユニットの温度に応じて酸化ガス流の量を制御して、酸化ユニットの温度を目標温度に維持する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
温度センサは酸化ユニットの温度に対応する温度信号を生成し、
コントローラは前記温度信号に基づいて制御信号を生成するようにプログラムされたプロセッサを備え、
供給源は前記制御信号に応じて酸化ガス流を供給する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池システムによって生成された電力の量を測定し、その電力の量に対応する負荷信号を生成する計量器をさらに備え、
理論表は、負荷信号を理論量の酸化ガス流に関連づけ、
コントローラは、供給源に指令して酸化ユニットに理論量を超える酸化ガス流を供給させるための制御信号を生成する場合に、負荷信号及び理論表を使用する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
供給源が送風機である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
酸化ガス流が空気流である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
反応ガスの２つの流れを反応させることにより燃料電池スタック中の電気エネルギーを生成し、燃料電池排ガス流を生成する工程と、
酸化ユニットの中で酸化ガス流を使用して、燃料電池排ガス流の少なくとも一部を酸化する工程と、
酸化ユニットの温度を感知する工程と、
作動中に燃料電池排ガス流の前記一部を酸化させるのに必要な理論量より多い酸化ガス流の量を、酸化ユニットに供給する工程と、
供給される酸化ガス流の量と理論量との間の所望の差を達成するように供給される酸化ガスの量を制御することで、感知した温度に応答する工程と、
から成り、前記供給される酸化ガスの量を制御する工程が、
理論量の酸化ガス流を決定するための理論表を格納する工程と、
酸化ユニットに理論量を超える酸化ガス流を供給するための制御信号を生成する場合に、前記理論表を使用する工程と、
をさらに含む方法。
【請求項８】
酸化ユニットの温度に応じて酸化ガス流の量を制御して、酸化ユニットの温度を目標温度に維持する工程をさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
酸化ユニットの温度に対応する温度信号を生成する工程と、
前記温度信号に基づいた制御信号を生成する工程と、
前記制御信号に応じて酸化ガス流を供給する工程とをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
システムによって生成された電力の量を測定する工程と、
その電力の量に対応する負荷信号を生成する工程であって、理論表は負荷信号を理論量の酸化ガス流に関連づけるものである工程と、
負荷信号及び理論表に基づく制御信号を生成し、酸化ユニットに、理論量を超える酸化ガス流を供給する工程とをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
酸化ガス流が空気流である、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の排ガス（テールガス）の酸化温度を制御する燃料電池システム及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、２つの燃料ガス流を互いに反応させることにより電力を生成する。その２つのガス流のうちの一方はアノードガスと称され、他方はカソードガスと称される。ある燃料電池は、アノードガスとして水素に富んだガス流を使用し、カソードガスとして空気流を使用する。燃料電池の使用時、アノードガス中の水素はカソードガス中の酸素と反応して、電力を生成する。燃料電池から出る排ガスには、未反応の燃料ガス、燃料ガス流に含まれる不純物、及び燃料電池中の反応の化学生成物が含まれ得る。
【０００３】
複数の燃料電池が、通常、積み重ねられた、即ちスタックの状態に配置されている。燃料電池スタックは通常、燃料電池システムとして知られている、燃料ガス流のうちの１つを生成するための燃料処理装置か又は改質装置を備えたシステムの一部である。例えば、上記の例の燃料電池を備えた燃料電池システムは、メタン等の炭化水素を水と反応させて水素に富んだ流れを生成するための改質装置をも備え得る。燃料電池から出る排ガスを例えば酸素と反応させて排気から環境に優しくない化学物質を除去する場合、ある燃料電池システムはアノードテールガス酸化ユニット（ＡＴＯ）をさらに備える。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、酸化ユニットの温度制御により、酸化ユニットの燃料電池排ガス中の環境に優しくない化学物質の量を簡便に制御することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、反応ガスの２つの流れを反応させることにより作動中に電気エネルギーを生成し、燃料電池排ガス流も生成する燃料電池スタックと、燃料電池排ガス流を受け取るよう配置され、作動中に燃料電池排ガス流の少なくとも一部を酸化ガス流中で酸化させる、酸化ユニットと、酸化ユニットの温度を感知するよう配置された温度センサと、前記燃料電池排ガス流の一部を酸化させるのに必要な理論量より多い酸化ガス流の量を酸化ユニットに供給する入力システムであって、供給される酸化ガス流の量と理論量との間の所望の差を達成するように供給される酸化ガスの量を制御することで、酸化ユニットの温度に応答する入力システムと、酸化ガス流を供給する供給源と、酸化ユニットの温度に応じて前記供給源により供給された酸化ガス流の量を制御するコントローラと、を備え、前記コントローラが、理論量の酸化ガス流を決定するための理論表を格納し、コントローラは、供給源に指令して酸化ユニットに理論量を超える酸化ガス流を供給させるための制御信号を生成する場合に、理論表を使用する、燃料電池システムを要旨とする。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、入力システムが、酸化ユニットの温度に応じて酸化ガス流の量を制御して、酸化ユニットの温度を目標温度に維持することを要旨とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、温度センサは酸化ユニットの温度に対応する温度信号を生成し、コントローラは前記温度信号に基づいて制御信号を生成するようにプログラムされたプロセッサを備え、供給源は前記制御信号に応じて酸化ガス流を供給することを要旨とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池システムによって生成された電力の量を測定し、その電力の量に対応する負荷信号を生成する計量器をさらに備え、理論表は、負荷信号を理論量の酸化ガス流に関連づけ、コントローラは、供給源に指令して酸化ユニットに理論量を超える酸化ガス流を供給させるための制御信号を生成する場合に、負荷信号及び理論表を使用することを要旨とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、供給源が送風機であることを要旨とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、酸化ガス流が空気流であることを要旨とする。
【００１２】
請求項７に記載の発明は、反応ガスの２つの流れを反応させることにより燃料電池スタック中の電気エネルギーを生成し、燃料電池排ガス流を生成する工程と、酸化ユニットの中で酸化ガス流を使用して、燃料電池排ガス流の少なくとも一部を酸化する工程と、酸化ユニットの温度を感知する工程と、作動中に燃料電池排ガス流の前記一部を酸化させるのに必要な理論量より多い酸化ガス流の量を、酸化ユニットに供給する工程と、供給される酸化ガス流の量と理論量との間の所望の差を達成するように供給される酸化ガスの量を制御することで、感知した温度に応答する工程と、から成り、前記供給される酸化ガスの量を制御する工程が、  理論量の酸化ガス流を決定するための理論表を格納する工程と、酸化ユニットに理論量を超える酸化ガス流を供給するための制御信号を生成する場合に、前記理論表を使用する工程と、をさらに含む方法を要旨とする。
【００１３】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の方法において、酸化ユニットの温度に応じて酸化ガス流の量を制御して、酸化ユニットの温度を目標温度に維持する工程をさらに含むことを要旨とする。
【００１４】
請求項９に記載の発明は、請求項７に記載の方法において、酸化ユニットの温度に対応する温度信号を生成する工程と、前記温度信号に基づいた制御信号を生成する工程と、前記制御信号に応じて酸化ガス流を供給する工程とをさらに含むことを要旨とする。
【００１６】
請求項１０に記載の発明は、請求項７に記載の方法において、システムによって生成された電力の量を測定する工程と、その電力の量に対応する負荷信号を生成する工程であって、理論表は負荷信号を理論量の酸化ガス流に関連づけるものである工程と、負荷信号及び理論表に基づく制御信号を生成し、酸化ユニットに、理論量を超える酸化ガス流を供給する工程とをさらに含むことを要旨とする。
【００１７】
請求項１１に記載の発明は、請求項７に記載の方法において、酸化ガス流が空気流であることを要旨とする。
【００１８】
発明の１又は複数の実施形態の詳細を、添付図面及び発明の実施の形態に述べる。
発明の他の特徴、目的、効果は、発明の実施の形態及び図面から、及び特許請求の範囲から明白となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１に示すように、負荷１２に電気エネルギーを供給するための燃料電池システム１０は、負荷１２の対応端子へ接続するための負の電気端子１６及び正の電気端子１７を有している。負荷１２は通常、電力調節システム及び電気器具及び／又は機器が接続される回路を備えている。燃料電池システム１０の使用時、燃料電池システム１０は端子１６と１７の間に電位差を生成することで、負荷１２に電気エネルギーを送る。電力計量器１３は、電気エネルギーが負荷１２に送られる割合（つまり「電力」）を測定し、測定した電力に対応する負荷信号１５を生成する。
【００２０】
燃料電池システム１０は燃料電池スタック２２を備え、燃料電池スタック２２は改質装置２０によって生成された水素に富んだガス流３５を使用して、電気エネルギーを生成する。燃料電池スタック２２はさらに、アノード排ガス１４も生成するが、アノード排ガス１４は、水素に富んだガス流３５からの残余量の水素ガスと改質装置２０からの炭化水素とを含んでいる。アノードテールガス酸化ユニット２４は、アノード排ガス１４の成分と空気２６との間の酸化反応を促進し、酸化済み排ガス３０を生成する。空気２６は、ＡＴＯ酸化流とも称される。酸化ガス流を供給する供給源としての空気送風機３１は、酸化ガス流としての空気２６を、アノードテールガス酸化ユニット２４に供給する。空気２６の少なくとも一部は、空気流４４からの燃料電池カソード排ガスに由来する場合もある。他のＡＴＯ酸化供給源も可能である。熱電対等の温度センサ３２は、アノードテールガス酸化ユニット２４内の温度を感知して、温度信号３４を生成する。コントローラ３６は、制御信号３８を生成し、送風機３１がアノードテールガス酸化ユニット２４に供給する空気２６の量を制御する。コントローラ３６と送風機３１は、入力システムを構成する。コントローラ３６は送風機３１を制御して、アノード排ガス１４中の炭化水素及び水素を酸化させるために必要な量よりも多い空気２６をアノードテールガス酸化ユニット２４に供給させる。コントローラ３６は、アノードテールガス酸化ユニット２４に流入する空気２６の量を制御することにより、アノード排ガス１４の温度を制御する。アノードテールガス酸化ユニット２４へ流入する空気２６の量を理論量を超えて増大させると、酸化ユニット２４から熱を運び去ることによりユニット２４の温度が低下する傾向がある。
【００２１】
改質装置２０は、メタン等の炭化水素４０を水蒸気４２及び酸素４３と反応させ、水素に富んだガス流３５を生成する。ガス流３５は、例えば、約３０パーセントの水素ガスを含んでいる。改質装置２０は、炭化水素を水素に変換するのに完全には効率的ではないため、水素に富んだ流れ３５は残余量の炭化水素４０も含んでいる。一般に、水素に富んだ流れ３５の２パーセントより多くは、残余の炭化水素から構成される。水素に富んだ流れ３５は、残余量（例えば３０ｐｐｍ）の一酸化炭素をも含み得る。
【００２２】
燃料電池スタック２２は、例えば、複数のプロトン交換膜燃料電池のスタックであり、その燃料電池の各々は、水素に富んだ流れ３５（アノードガス）の一部を、空気の流れ４４（カソードガス）と反応させて、電気エネルギーを生成する。燃料電池スタック２２での反応は、アノード排ガス１４をさらに生成する。アノード排ガス１４は、先に述べた残余量の炭化水素４０に加えて、水素に富んだ流れ３５に由来する残余量の未反応の水素を含んでいる。例えば、アノード排ガス１４は、１０パーセントかそれより多くの未反応の水素ガスを含み得る。
【００２３】
アノードテールガス酸化ユニット２４は、プラチナ又はパラジウムマトリックス等の触媒４６の存在下で、燃料電池スタック２２からのアノード排ガス１４を空気２６に曝す。これにより、酸化が促進され、酸化済み排ガス３０が生成する。酸化プロセスが高すぎる（例えば８００℃超の）温度で起こる場合、環境に放出されると有害な、不都合な生成物が生じる。もっと高い温度での酸化は、ＡＴＯ触媒を（例えば焼結により）損傷させる可能性がある。他方、酸化プロセスが低温で起こる場合、より好都合な酸化生成物が生じる。
【００２４】
触媒によって、排ガス１４は、火炎燃焼方式のような代替酸化装置で可能な温度よりも低温で酸化される。しかしながら、触媒の温度が低すぎる（例えば５００℃未満）場合、触媒はアノード排ガス１４中の炭化水素と水素を有効に酸化しない可能性がある。アノードテールガス酸化ユニット２４は、通常、５００℃から８００℃の間の温度で作動する。酸化プロセスは熱を生成するため、酸化済み排ガス３０の温度は上昇する。酸化済み排ガス３０は、排ガス３０から熱を抜き出す熱抽出装置４８に向けられる。抜き出された熱は、例えば改質装置２０等の燃料電池システム１０の構成要素で使用され得る。
【００２５】
アノードテールガス酸化ユニット２４で生じる熱の量は、送風機３１によって提供される空気２６の量によって左右される。例えば、送風機３１がアノード排ガス１４中の未酸化の炭化水素と水素をすべて酸化させるのに十分な空気を提供しない場合、排ガス１４の一部だけが酸化され、排ガスの発熱量の一部のみが生ずる。送風機３１がより多くの空気２６を供給するにつれて、より多くのアノード排ガス１４が酸化され、より大きな排ガス１４の発熱量を生じ、アノードテールガス酸化ユニット２４を高温にする。理論量、すなわち、アノード排ガス１４の酸化可能な成分をすべて酸化させるのに理論上ちょうど足りる量、として知られている特定量の空気２６が存在する。送風機３１が理論量の空気２６を供給する時、アノードテールガス酸化ユニット２４は、最大の量のエネルギーを生成し、酸化ユニット２４内の温度は最高に達する。
【００２６】
送風機３１が、理論量より多い空気２６を供給すると、さらなる大気によってアノード排ガス１４のそれ以上の成分が酸化されることはないため、アノードテールガス酸化ユニット２４によって生成される熱は、一定のままとなる。しかしながら、過剰の空気は酸化ユニット２４の温度よりも冷たいので、アノードテールガス酸化ユニット２４で生じた熱のうちの一部は、過剰空気を熱すると共に、運び去られ、それによりアノードテールガス酸化ユニット２４及び触媒４６の温度を低下させる。したがって、酸化ユニット２４に過剰量の空気２６を供給すると、酸化ユニット２４の温度が低下する。
【００２７】
コントローラ３６は、プログラム５２、触媒４６の目標温度５６、及び理論表５４を格納している。理論表５４は、負荷信号１５を、送風機３１に理論量の空気２６をアノードテールガス酸化ユニット２４へ供給させるのに必要な制御信号３８と関連づける。コントローラ３６は、プロセッサ５０を備え、プロセッサ５０は、送風機３１がアノードテールガス酸化ユニット２４に供給する空気の量を制御する制御信号３８を生成するプログラム５２を実行する。コントローラ３６は理論表５４と、負荷信号１５と、アノードテールガス酸化ユニット２４内に配置したセンサ３２からの温度信号３４とを利用して、目標温度を達成するためにアノードテールガス酸化ユニット２４に送風機３１が供給すべき理論量より多い空気２６の量を決定する。
【００２８】
理論表５４中のデータは、燃料電池が配備される前に実行される較正テストの間に得られる。較正テスト中に、燃料電池スタック２２は種々の出力負荷で作動され、アノード排ガス１４のサンプルは電力計量器１３により測定された負荷信号１５の各値に対して収集される。サンプル中の炭化水素及び水素の量を決定するために、サンプルの各々はガスクロマトグラフで分析される。サンプル中の炭化水素及び水素の量に基づいて、理論量の空気が決定される。酸化ユニット２４へ導入しなければならない理論量の空気がわかると、送風機３１の速度とその速度を確立するのに必要な制御信号３８とが決定される。負荷信号１５及び制御信号３８の対応値は、理論表５４中に作成される。
【００２９】
作動中、プロセッサ５０は負荷信号１５及び理論表５４を使用して理論制御信号３８を調べ、理論制御信号３８は送風機３１に理論量の空気２６を供給させる。プロセッサ５０は温度信号３４も監視する。温度信号３４は、アノードテールガス酸化ユニット２４内の温度を示し、その温度を触媒４６の目標温度５６と比較する。一般に、送風機３１が理論量の空気を供給した時、アノードテールガス酸化ユニット２４内の温度は目標温度５６より高くなる。酸化ユニット２４内の温度を目標温度５６まで低下させるために、プロセッサ５０は、送風機３１に理論量より多い空気２６を供給させる。過剰空気がアノードテールガス酸化ユニット２４から熱を運び出すことで、酸化ユニット内の温度が低下する。
【００３０】
プロセッサ５０は、目標温度５６とアノードテールガス酸化ユニット２４内の温度との間の差に基づき、送風機３１により供給される過剰空気量を制御する。このように、プロセッサ５０は、送風機３１を制御して、アノードテールガス酸化ユニット２４内の温度を目標温度５６に維持する。本発明は、他の制御装置やハードウェア並びにソフトウェア形態を備えた他の実施形態でも実現可能である。例えば、簡単な形式では、本発明は、ＡＴＯ温度と酸化ガス供給との間の単純なフィードバックループとして実現可能である。
【００３１】
本発明の精神及び範囲から逸脱することなく上述の実施形態に対して様々な改変をなし得ることが理解されよう。例えば、我々は水素／酸素燃料電池について説明したが、本明細書に示した概念は他の燃料電池システムに対しても適用可能性を有している。
従って、他の実施形態も特許請求の範囲に包含される。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、酸化ユニットの燃料電池排ガス中の環境に優しくない化学物質の量を簡便に制御し、閾値未満に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システムのブロック図である。
【符号の説明】
１４…燃料電池排ガス流、１５…負荷信号、２２…燃料電池スタック、２４…酸化ユニット、２６…酸化ガス流としての空気流、３１…供給源としての送風機、３２…温度センサ、３４…温度信号、３６…コントローラ、３８…制御信号、４４…空気流、５０…プロセッサ、５４…理論表、５６…目標温度。
【図１】
0003737743.tif 000002