(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御システム（１４）を有する燃料セル電池（１０）であって、前記制御システムを介して電池のセル（１１）における電気化学的反応に影響を与える前記燃料セル電池を作動する方法において、
二つの遊離物（Ａ，Ｂ）のガス状流れ（１，２）がその量を所定の比率に保つことを条件として制御されるようにして電池に供給されかつセルを通して別々に案内され、
第１の遊離物（Ａ）は酸化成分を含み、第２の遊離物（Ｂ）は還元成分を含み、とくに前記第１の遊離物は周囲の空気であり、
前記遊離物の流れ（１，２）がセルを通過後合流されかつ後燃焼プロセスによってさらに処理され、その量を所定の比率に保つことを条件として還元成分が完全に酸化されるように、排気ガス（Ｃ）の流れ（３）を発生し、
前記第１の遊離物の流れ、とくに空気の流れを制御システムを介して制限された量まで可変にしかつその流れを使用して反応温度の調節を行い、そして、
反応温度の調節と同時に、前記第２の遊離物の流れが一定に、すなわち電池入口（１３ａ，１３ｂ）の上流の遊離物の流れの一方に作用する第２調節装置（５，６，１８，１９）によって一定に保たれる
ことを特徴とする燃料セル電池を作動する方法。
【請求項２】
前記遊離物の流れ（１，２）は回転速度が制御される送風機（１６）による排気ガス（Ｃ）の吸出しによって駆動されること、そして、前記反応温度が送風機の回転速度の変化によって調節されることを特徴とする請求項１に記載された方法。
【請求項３】
前記第２の遊離物の流れ（２）が弁（２２）によって電池入口の上流で影響を受け、そして、弁を備えた別の部材（６，７，８，９）が前記第２の遊離物（Ｂ）の供給管（ｃ）におよび／または排気ガス流（３）に接続される圧力調節装置（４）によって制御され、別の部材が質量流センサ（５）および調節装置（５０）によって制御されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された方法。
【請求項４】
前記圧力調節装置（４）が第１の遊離物（Ａ）、とくに周囲の空気のタンク（１′）にまた弁出口（ｃ）において第２の遊離物の流れ（２）に接続され、その結果、前記弁（２２）の制御の結果としてタンク圧力（ｐA）の一定比率が弁出口において圧力（ｐB）に設定されること、および圧力調節装置の弁（２２）の下流に設けられる比例作用弁（６）が別の部材として使用されることを特徴とする請求項３に記載された方法。
【請求項５】
前記圧力調節装置（４）が第１の遊離物（Ａ）のタンク（１′）にまた弁出口（ｃ）において第２の遊離物流（２）に接続されること、および圧力調節装置とタンクとの間に設けられる補助換気装置（７）が別の部材として使用されることを特徴とする請求項３に記載された方法。
【請求項６】
前記圧力調節装置（４，ａ，ｄ）が二つの点（３１，３２）において排気ガス流（３）に接続されること、孔付きダイヤフラム（３１）または質量流に依存する圧力差を発生するための他の装置が圧力調節装置の二つの接続点（ａ，ｄまたは３１，３２）の間に設けられること、および圧力調節装置に平行に接続されかつそれによって圧力調節装置に作用する圧力差を変更しうる弁（８）が別の部材として使用されることを特徴とする請求項３に記載された方法。
【請求項７】
前記圧力調節装置（４，ａ，ｄ）の開放側（ａ）が排気ガス流（３，３１）に接続され閉鎖側（ｄ）が第２の遊離物（Ｂ）の調節弁の出力（ｃ）に接続され、圧力差が適当な装置、とくに孔付きダイヤフラム（３３）によって二つの接続点（ａ，ｄ）の間に発生されること、そして、それによって圧力調節装置に作用する圧力差を変更しうる送出し弁（９）が排気ガス流（３）と圧力調節装置（４，ａ）との間に別の部材として使用されることを特徴とする請求項３に記載された方法。
【請求項８】
前記第２の調節を実施するための装置が第２の遊離物（Ｂ）の質の変化の結果として影響を受け得ること、第２の遊離物の質がパラメータによって特徴づけ得ること、この特徴的パラメータを測定するためのセンサが第２の遊離物流（２）内にまたは排気ガス流内に設けられること、および、前記特徴的パラメータの変化が第２の調節の影響に対して使用されることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載された方法。
【請求項９】
前記第１の遊離物流（１）が電池入口（１３ａ）の上流の二部分（１ａ，１ｂ）に供給され、第１の遊離物流のとくに最少空気流の一部（１ａ）が第２の遊離物流（２）の量に関して一定の比率で供給され、第１の遊離物流の他の部分（１ｂ）が反応温度を調節するために制御され、前記量の前記比率は圧力調節装置（４）によってかつ実際上空気指数λがつねに１より大きくなるように一定に保持されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された方法。
【請求項１０】
前記燃料セル電池（１０）および請求項１から請求項９までに記載されたいずれか一つの方法を実施するための制御システム（１４）を有するプラントにおいて、遊離物（Ａ，Ｂ）用の圧力調節装置（４）および供給管が空気または電気−空気複合装置の部分であること、圧力調節装置が膜（４０）によって仕切られる二つの室（４１，４２）を備えたコンテナを有し、前記膜は制御されるため弁（２２）に接続され、圧力調節装置を圧力平衡調節装置または圧力比率調節装置とすることができることを特徴とする燃料電池および制御システムを含むプラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御システムを有する燃料セル電池を作動する方法に関するものである。本発明はまた燃料セル電池を備えたプラントにも関し、その作動は本発明による方法に従って制御される。
【０００２】
【従来の技術】
燃料セル、とくにＳＯＰＣ（固体酸化物燃料セル）型の高温燃料セルは、エネルギ変換を通してエネルギの利用を可能にする。このことにおいて、電気化学的プロセスの結果として発生される電気エネルギ、ならびに高温排気ガスの形式で発生する、熱エネルギが利用可能である。二つの遊離物のガス状流れは別々にセルを通される。とくに周囲の空気である第１の遊離物は酸化成分を含み、第２の遊離物は還元成分を含んでいる。メタンを含むガス（たとえば天然ガス）は、第２の遊離物として有利に使用され、セル内に侵入する前に改質装置（ｒｅｆｏｒｍｅｒ）を通され、そこで、たとえば、水の付加的供給によりまた供給されるプロセス熱によって還元成分水素および一酸化炭素に改質される。高温排気ガスは、改質装置において必要なプロセス熱の熱源として有利に使用可能である。下記の説明において、最初の遊離物とこれらの変換された遊離物との間に、いかなる区別もなされない。変換プロセスは、もはやはっきりと命名されることはなく、むしろ改質装置の使用も同様に得られることが暗に認められるであろう。
【０００３】
遊離物は電池に制御されて、実際、安全条件が満足されなければならない、量を所定の比率に保つことを条件として供給される。いかなる還元成分、すなわち、いかなる第２の遊離物の未燃焼成分ももはや排気ガス流内には含まれていない。それゆえ、ガス安全装置が設けられなければならず、それによって化学量論的関係に関連する空気指数（または空気比率）λに対してλ≧１の状態が達成される。送風機駆動バーナにおいて、λを一定にしたままで燃焼室への遊離物流の可変供給を可能にする空気混合装置が使用される。そのような装置は、平衡圧力調節装置または圧力割合調節装置によって作動する。燃料セルを備えたプラント用の制御システムの開発中、適当に変形された形式のファン駆動バーナから公知の混合装置を、開発されるべき制御システムにおいて使用するアイデアが生じた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
消費部分の電気エネルギ要求は一般に一定でなく、そこで燃料セル電池に加えられる負荷は対応して変動して変化する。この種の負荷変化はセルの温度変動をもたらす。反応温度は調節によって、温度が有効なプロセスのために十分に高くかつ使用される材料に対して十分に低いある範囲内に保持されなければならない。
【０００５】
遊離物の流れは、その回転速度が制御されるファンによって、排気ガスを吸引することにより有利に駆動される。反応温度は送風機の回転速度の変化によって調節可能である。もし上記空気装置が使用されるならば、ファン被動バーナからは公知でないある課題が発生する。たとえば、もし消費部分が少ない電気エネルギを引出すならば、遊離物の流れが変化しないままであると廃棄熱の発生が増加する。もし空気流、第１の遊離物流が増加した量まで余分な熱をセルから除去しうるように増加されるならば、第２の遊離物の供給も増加する。しかしながら、このことは電気エネルギに対する減少した要求とは反対に電気化学的反応が強化される変動を生ずる。
【０００６】
本発明の目的は、圧力調節装置を備えた前記空気装置が、燃料セル電池を備えたプラントにおいて適当に変形されて使用可能で、第１の遊離物（一般に周囲空気）の可変流れに対する温度調節が可能であるような、方法を創造することである。この目的は請求項１に定義された方法によって満足される。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による燃料セル電池を作動する方法は、それを通して電池のセル内における電気化学的反応が影響される制御システムを有する。二つの遊離物のガス状流れは、量を所定の比率に保つことを条件として制御される方法で、かつセルを通して別々に電池内に供給される。第１の遊離物は酸化成分を含み、第２の遊離物は還元成分を含み、とくに第１の遊離物は周囲の空気である。遊離物の流れはセルを通過後合流され、後燃焼プロセスによってさらに処理され、排気ガスの流れの発生を伴い、そこで、量の所定の比率を条件として、還元成分は完全に酸化される。第１の遊離物流、とくに空気流は制御システムによって制限された量まで変化可能であり、その空気は反応温度の調節のために使用される。反応温度の調節と同時に、第２の遊離物流は、すなわち電池入口上流の遊離物流の一方に作用する、第２調節によって一定に保たれる。
【０００８】
従属請求項２から９は、本発明による方法の有利な実施例に関するものである。本発明の方法によって作動される燃料電池を備えたプラントは、請求項１０の主題である。
【０００９】
燃料の質は変更可能であり、そこで、還元成分の割合に対する一定の値は第２の遊離物の質量流に対してユニークな方法で選定可能ではない。本発明による方法は、燃料の質の変動も考慮しうるような方法でさらに発展可能である。このためたとえばλプローブまたはＣＯセンサが利用され、それらは排気ガス流中のそれぞれ酸素の残存する比率または残存する一酸化炭素を測定するため使用される。酸素の残存する比率および／または残存する一酸化炭素の比率の変化は、質の変化の測定と考え得る。本発明による方法において得られるような、第２の遊離物の流れの調節は、調節が排気ガス流内の酸素の残存比率を一定に保持するために実施されるように拡大可能である。
【００１０】
第２の遊離物の質も、他のパラメータによって、たとえば水素の比率によって特徴づけられる。この特徴的パラメータを測定するセンサは第２の遊離物流内に設置可能であり、そこで特徴的パラメータの変化は第２調節プロセスの影響に使用可能である。これによって、第２調節の実施は第２の遊離物の質の変化の結果と同様に可能である。
【００１１】
以下、本発明を図面を参照して下記に説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１の略図は、断熱スリーブ１００で囲まれた、燃料セル１１の堆積が設けられる燃料セル電池１０を備えたプラントを示している。セル１１内で発生される電気エネルギは電極１２ａおよび１２ｂを介して図示されない消費部分または負荷に供給可能である。電極１２ａおよび１２ｂを横切って得られる電流Ｉおよび電圧Ｕは、セル１１の出力容量および消費部分によって適用される負荷に依存する。ガス状遊離物Ａ（一般に周囲の空気）を備えた流体流１は、入口１３ａを介して電池１０に供給される。第２の遊離物Ｂ、燃料２は入口１３ｂを介して侵入し、この遊離物Ｂは一般にまず図示されない改質装置において反応し得る形式に改質される。電気エネルギ（＝Ｕ×Ｉ）と同時に発生する廃熱は、電池１０から高温排気ガスＣとして出口１３ｃを通して排気ガス流３として輸送され、消費部分１５において使用される。消費部分によって冷却される排気ガス３′は周囲に放出される。電池１０内で発生するプロセスは、装置１４によって実施される制御装置を必要とし、この装置１４は情報伝達接続１４０によって電池１０に接続されている。下記に記載される実施例（図４参照）において、装置１４はモニタユニット１４ａ、自動点火ユニット１４ｂおよび制御装置１４ｃよりなり、それらによってプラント全体は制御および／または調節される。
【００１３】
図２の空気装置（または電気−空気装置）２０は、ファン被動バーナに対してすでに使用されているような、空気混合調節の一部である。この装置２０の中心的要素は、圧力調節装置４、ここでは弾性的に変位しうる膜４０によって二つの室４１および４２に仕切られたコンテナの形式の、平衡圧力調節装置である。膜４０は、貫流を変化する対応する運動が膜４０の運動の結果として発生される、制御可能な弁２２（連結部４３，２４）によって連結される。弁２２の状態の変化に関連して、差異が膜４０の閉鎖側と開放側との間に形成され、もし開放側すなわち室４１の圧力が上下するならば、弁２２はそれぞれ開放または閉鎖し、単に反対の対応する状態を室４２に対して保持する。開放側は接続ａを介してまた変動側は接続ｄを介して制御可能である。制御されるべきガス流２は入口ｂに供給され、出口ｅを通って装置２０から排出する。ガス流２は閉鎖部材２１によって停止可能である。（市販の装置２０には二つの閉鎖部材２１が前後に接続されている。）多分必要な閉鎖信号が、接続線１４０ｂを介して自動点火ユニット１４ｂ（図４）を通して伝達される。ファン被動バーナの混合調節において、第２コネクタｃがコネクタｄによってガス流２に接続されている。コネクタａを介して、ガス圧は圧力調節装置４の開放側、室４１に作用可能である。設定可能な孔付きダイヤフラム２３は弁２２の下流側に設けられている。それによって、二つのガス流１および２の比率は、必要な再調節がされるとき変更可能である
【００１４】
平衡圧力調節装置４の代わりに、一定圧力比を備えた圧力比率調節装置を使用することも可能である。遊離物Ａの圧力ｐAと遊離物Ｂの圧力ｐBとの間の比率は、たとえば２：１または３：１である。圧力調節装置の作用範囲（たとえば０．４ミリバール＜ｐB＜３０ミリバール／０．４ミリバール＜ｐA＜１０ミリバール）において、圧力比率はｐB：ｐAはｐAに無関係である。平衡圧力範囲調節装置において、ｐB＝ｐAである。
【００１５】
図３は、図２の装置の模式図を示す。
圧力調節装置４の接続点ａおよびｄ、遊離物Ｂのガス流２の入口ｂ，出口ｅ、調節された弁２２の下流のガス流２の側方接続ｃが示されている。
【００１６】
図４に示されたブロック回路線図は、本発明による方法の第１実施例が使用されるプラントを示す。符号１′は、ここでは下記の例示的実施例におけると同様に空気である、遊離物Ａのタンク（タンク内圧力ｐA）を示している。空気装置２０は、公知のファン被動バーナにおけるように（すなわち同じ圧力ｃおよびｄの）ガス流１および２に接続されている。接続点ａは、遊離物Ａのタンク１′に直接接続され、したがって、圧力調節装置４の開放側に作用する圧力は、周囲の圧力とほぼ同じである。その回転速度が調節され、かつ電池１０の下流に設けられるファン１６によって、セル１１内に減圧が生ずる（吸込み作用）。送風機１６の送出し出力が大きければ大きいほど、圧力調節装置４の閉鎖側の入口ｄに作用する圧力（＝ｐB）は低くなり、それゆえ遊離物Ｂの質量流２は一層少なくなる。
【００１７】
別の部材、すなわち比例作用弁６および質量流センサ５によって、第２ガス流２はセル１１内の反応温度の調節に関連して影響を受けることが可能である。情勢は下記のとおりである。すなわち、圧力調節装置４による弁２２の制御の結果として、弁２２の出口における圧力に対するタンク内圧力ｐAの一定の比率が設定される（ここでは１：１、等圧）。モニタユニット１４ａは、接続線１４０ａを介して、電池１０から反応温度に関する情報事項を示す温度信号を受信する。この情報の結果として送風機１６の回転速度は、接続線１４２を介して調節される。送出し出力の変化によってセル１１内の圧力も変化し、したがって、遊離物ＡおよびＢが（変化しないままである比例作用弁６の状態に関連して）多くまたは少なく吸込まれる。しかしながら、遊離物Ｂの質量流は電気化学的反応の変化か決して生じないように一定のままでなければならない。このことは、質量流センサ５および装置２０の出口ｅと電池１０の入口との間に設けられた、調節装置５０によって達成される。調節装置５０は、比例作用弁６に排出量を一定に保持するため信号接続６５を介して作用する。
【００１８】
図５の第２の実例的実施例のブロック回路線図において、モニタユニット１４ａおよび自動点火ユニット１４ｂはもはや図示されていないが、しかしながら接続１４０ａおよび１４０ｂが示されている。このことはまた下記の二つの実施例図６および図７についても維持される。
【００１９】
第２実施例において、圧力調節装置接続ｄにおける圧力は、質量流センサ５およびその調節装置５０によって直接変更されないが、むしろ圧力変更は接続ａを介して間接的に発生する。タンク１′（周囲圧力）に対する圧力差を発生する補助換気装置７が、この接続ａまで接続されている。圧力差は調節装置５０により信号線７５を介して制御されまたセンサ５の測定点におけるガス流２の貫流が実際一定のままであるように制御される。
【００２０】
図６の第３実施例において、圧力調節装置４は二つの位置３１および３２において排気ガス流３に接続され、孔付きダイアフラム３０または質量流に依存する圧力差を発生するのに適した他の装置が、圧力調節装置４の二つの接続点３１および３２の間に設けられる。側方接続ｅは閉鎖される。それによって圧力調節装置４に作用するガス圧力差を変更し得る弁８が、接続点３１および３２に平行に接続されている。弁８は質量流センサ５の調節装置によって、信号線８５を介してガス流２が一定のままであるように、制御可能である。ほんの僅かなガス流が弁８を通過することが許され、そこでミクロ比例作用弁の使用が有利である。しかしながら慣用の弁も、もしそれがサイクルモードで作動されるならば、使用可能である。圧力調節膜４０の慣性は振動を阻止する。
【００２１】
図７の第４実施例において、圧力調節装置４の開放側、接続ａは、排気ガス流３にすなわち接続点３１に接続され、そこに下流に設けられた孔付きダイヤフラム３３のため増大した圧力が発生する。第１実施例におけるように、圧力調節装置４の閉鎖側は、弁２２の出口に接続されている（ｄへのｃの接続）。接続点３１における圧力は、接続ｄに対する圧力差が発生するように大きくなければならない。送出し弁９は、それによって圧力調節装置４に作用する圧力差によって、他の実施例において排気ガス流３への接続点３１と圧力調節装置４との間に設けられているのと同様の方法で、質量流よって調節装置５０（信号線９５）によって変更可能である。
【００２２】
第１の遊離物流１が設定部材１９によって第２の遊離物流の代わりに作用される本発明による方法の例が、図８に示されている。設定部材１９は弁、調節フラップまたは換気装置とすることができる。第１の遊離物流１は電池入口の上流で二つの部分１ａおよびｂに案内される。第１の遊離物流１の一方の部分１ａは下記において略して最小空気流１ａと、他方の部分は冷却空気流１ｂと称される。圧力調節装置４を含む装置２０の結果として、最小空気流１ａは、第２の遊離物流に対して量に関して一定の比率で電池入口１３ａに供給される。第１の遊離物流１の冷却空気流１ｂは、反応温度を調節するために制御される。量に関する前記比率は、圧力調節装置４によってかつ実際上空気指数λが各冷却空気流１ｂに対する空気指数λより大きくなるように一定に保持される。案内圧力を発生する要素１７（たとえば、ベンチュリノズル、孔付きダイヤフラム、直線流要素）が、最小空気流１ａ内に設けられる。要素１７は、案内圧力が接続ａを介して第２の遊離物流に影響し得るように、圧力調節装置４に接続されている。冷却空気流１ｂは、質量流センサ１８および制御装置１４ｃに伝達される対応する信号によって測定可能である。制御装置１４ｃに対する別の信号は、第２の遊離物流内の質量流センサ５によって発生される。二つの遊離物流１および２は、調節装置すなわち、制御装置１４ｃの構成要素である直接調節装置およびカスケード調節装置を使用して設定可能である。質量流センサ１８は、有利には、カスケード調節装置構想に対してのみ必要である。質量流センサ５は、択一的に最小空気流１ａ内にも設置可能である。第２遊離物流２は、一定のλ割合の結果として計算可能である。
【００２３】
直接調節装置による調節構想において、設定部材１９は反応温度の監視の結果として第１調節装置によって制御される。送風機１６は、第２の遊離物流２に対する所望の値を質量流センサ５によって測定される実際の値と比較する、第２調節装置によって制御される。
【００２４】
カスケード調節装置構想において、冷却空気１ｂに対する所望の値は、第１調節装置による反応温度の監視の結果として決定され、該温度は発生される第１出力信号が発生される質量流センサ１８によって測定される実際の値と第２調節装置において比較される。第２出力信号は第３調節装置によって発生され、該調節装置は第２の遊離物流２に対する所望の値を質量流センサ５によって測定される実際の値と比較する。送風機１６および設定部材１９対する制御パラメータは、二つの出力信号から決定され、これらのプラントの構成要素は対応して制御される。送風機１６の制御のため、二つの制御信号が付加され、すなわち、設定部材の制御のために出力信号の商が計算される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による方法が使用される燃料電池を備えたプラントの概略図。
【図２】ファン被動バーナに対してすでに使用されているような空気装置を示す図。
【図３】図２の装置の模式図。
【図４】本発明による方法の第１実施例が使用されるプラントに適するブロック回路線図。
【図５】本発明による方法の第２実施例が使用されるプラントに適するブロック回路線図。
【図６】本発明による方法の第３実施例が使用されるプラントに適するブロック回路線図。
【図７】本発明による方法の第４実施例が使用されるプラントに適するブロック回路線図。
【図８】第１遊離物流が設定部材によって作用される本発明による方法の実施例に適するブロック回路線図。
【図１】
0003824908.tif 000002
【図２】
0003824908.tif 000003
【図３】
0003824908.tif 000004
【図４】
0003824908.tif 000005
【図５】
0003824908.tif 000006
【図６】
0003824908.tif 000007
【図７】
0003824908.tif 000008
【図８】
0003824908.tif 000009