JP2010503158A - 燃料電池スタックの熱及び温度の収支に影響を及ぼす燃料電池システム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池スタック（１０）と、燃料電池スタックから出るガスを燃焼するアフターバーナ（１２）と、アフターバーナからの排気通路（１４）に配置され、燃料電池スタックに供給されるカソード側の供給空気（１８）を加熱できる熱交換器（１６）とを含む燃料電池システムに関する。本発明は、熱交換器（１６）において予め加熱することなく、カソード側の供給空気（２０）を燃料電池スタック（１０）に供給する能力、並びに、供給されるカソード側の供給空気の総流量と、熱交換器において加熱された及び熱交換器において加熱されていないカソード側の供給空気の構成部分（１８、２０）の流量の比率とを使用する能力を提供して、燃料電池スタック（１０）の熱及び温度の収支に影響を及ぼす。本発明はまた、燃料電池スタックの熱及び温度の収支に影響を及ぼす方法に関する。

Description

本発明は、燃料電池スタックと、燃料電池スタックから出る排ガス燃焼用のアフターバーナと、アフターバーナの排ガス管に配置され、燃料電池スタックに供給されるカソード側の供給空気を加熱できる熱交換器とを含む燃料電池システムに関する。

本発明は、さらに、燃料電池システムに配置された燃料電池スタックの熱及び温度のバジェット（すなわち、熱及び温度のバランスの微調整）に影響を与える方法に関し、ここで、燃料電池システムは、さらに、燃料電池スタックから出る排ガス燃焼用のアフターバーナと、アフターバーナの排ガス管に配置され、燃料電池スタックに供給されるカソード側の供給空気を加熱できる熱交換器とを含む。

燃料電池システムの中心となるユニットとして、燃料電池スタックは、燃料電池スタックのアノード端に供給される水素に富んだ改質物を、カソード端に供給されるカソード側の供給空気と反応させて、電気及び熱を生成する。固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムの場合は、特に高温を伴うため、熱のバランスを取ることが、重要な役割を果たす。燃料電池スタックの熱及び温度のバランスは、温度調整されたカソード側の供給空気の供給の閉ループ制御によって微調整される。このため、燃料電池スタックに入る前に、カソード側の供給空気を熱交換器に通過させて加熱する。このために必要な熱は好ましくはアフターバーナによって与えられる。アフターバーナは、空気を用いる場合に、燃料電池スタックから出る劣化した改質物を発熱酸化させる。この構成では、閉ループ制御の基礎をなす要因は、燃料電池スタックから出るカソード側の排気流において検出される温度である。閉ループ制御の微調整を、カソード側の空気流量を変化させることによって、すなわち、カソード側の空気ブロワを好適な回転速度に設定することによって行う。

カソード側の排気温度に基づく閉ループ制御が、燃料電池スタックにおける温度分布が常に望ましい均一なプロフィールを有するわけではないことにより、不適切となってしまう場合もある。これにより、望ましくない程度にまで燃料電池スタックが冷却又は加熱されることが生じ得る。これは、燃料電池スタックに熱機械的に応力を加え、出力の低下の原因となる。

本発明は、燃料電池システムの熱及び温度のバランスを微調整して、燃料電池スタックにおいて均一な温度分布を達成する燃料電池システム及び方法を提供することを目的とする。

この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。

本発明の有利な実施形態は従属請求項から明らかとなる。

本発明は、熱交換器において予め加熱することなくカソード側の供給空気が、燃料電池スタックに供給される点、並びに、供給されるカソード側の供給空気の全体的な流量とカソード側の供給空気の熱交換器において加熱される部分及び熱交換器において加熱されない部分の流量との比率によって、燃料電池スタックの熱及び温度のバランスが微調整される点で一般的な燃料電池システムよりも高性能化されている。このようにして、ここでは燃料電池スタックの熱及び温度のバランスが可変性を高めて微調整可能とされる。微調整に利用可能なパラメータは、供給されるカソード側の供給空気の全体的な流量、及び、個々のカソード側の空気部分の流量の比率である。これにより、例えば、熱交換器を通過するカソード側の空気の部分を、加熱されないカソード側の空気部分に対して増加させることによって、燃料電池スタックに供給される空気の温度を高くすることが可能となる一方、カソード側の供給空気の全体的な流量をどの程度にすべきか決定することが可能となる。これにより、燃料電池スタックの入力側における温度上昇を達成することが可能となる一方、依然としてカソード側の排気温度においては望ましい低下が得られる。すなわち、熱入力の低下にもかかわらず、温度を上昇させることができる。反対に、カソード側の供給空気の流量が多いために、より多くの熱が入るにもかかわらず、燃料電池スタックの入力側において、温度を低く維持することができる。

本発明の好ましい実施形態は、第１の温度センサが、燃料電池スタックに入る前のカソード側の供給空気の温度を検出するために設けられ、第２の温度センサが、燃料電池スタックを出た後のカソード側の排気温度を検出するために設けられ、制御装置が、温度センサによって与えられた信号をマッピングするとともに処理し、かつ、制御装置が、カソード側の供給空気の総供給量と、カソード側の供給空気の熱交換器において加熱される部分及び熱交換器において加熱されない部分の流量の比率とを、制御装置において処理された信号に応じて微調整可能とされることで提供される。これにより、燃料電池スタックの熱及び温度のバランスの微調整が、燃料電池スタックの入力側及び出力側においてマッピングされた温度に基づいて可能となる。

本発明は、制御装置によって作動されるカソード側の空気ブロワを設け、カソード側の空気ブロワには、同様に制御装置によって作動される分流器が続き、かつ、分流器の第１の出力流が、熱交換器を介して燃料電池スタックに供給するカソード側の供給空気の部分を形成し、分流器の第２の出力流が、熱交換器を迂回して燃料電池スタックに供給するカソード側の供給空気の部分を形成する点で特に好ましいように高性能にされる。これにより、カソード側の空気ブロワの回転速度によって、全体的に供給されるカソード側の供給空気の流れを直接決定できる。これとは独立して、分流器を設定することにより、燃料電池スタックの入力側における温度が設定可能になる。

燃料電池スタックに入る前に、カソード側の供給空気の各部分が混合ゾーンにおいて混合可能とされ、かつ、第１の温度センサが混合ゾーン内に配置されるか、又は、その下流に配置されることが好ましい。これにより、燃料電池スタックを従来通り、すなわち、カソード側の供給空気用の単独の供給器によって操作できる。混合ゾーン内に、又は、その下流に温度センサを配置することにより、分流器の設定から独立した温度信号の利用が保証される。

本発明の範囲では、分流器、及び／又は、カソード側の空気ブロワを作動させることにより、第１の温度センサによって与えられた信号に基づいて、燃料電池スタックに入るカソード側の供給空気の温度の閉ループ制御を行うという点が特に有利である。それゆえ、燃料電池スタックの入力側において第１の温度センサによって検出された温度に基づいて閉制御ループを成し遂げられる。カソード側の空気ブロワの回転速度が一定である場合、単に分流器の設定によって、この制御ループを閉じることができる。しかしながら、カソード側の空気ブロワの回転速度が変動する場合でも、分流器を微調整することによって、燃料電池スタックの入力側における温度を依然として必要なレベルに設定できる。しかしながら、所望により燃料電池スタックの入力側において温度が変化する場合、分流器の設定を一定のままにし、かつ、カソード側の空気ブロワの回転速度を変更することも考慮できる。さらに、カソード側の空気の各部分の流量の比率に変化がない場合でも、燃料電池スタックの入力側における温度が変化する場合もある。これは、概して、熱交換器における熱流量の伝達量、及び、熱交換器を通る空気の流量が線形比例しないためである。

さらに、分流器、及び／又は、カソード側の空気ブロワを作動している場合、第２の温度センサによって与えられた信号に基づいて燃料電池スタックの温度の閉ループ制御が行われる構成としてもよい。燃料電池スタックの空気流量が分かっている場合、カソード側の供給空気の温度とアノード側の排気温度との差は、燃料電池スタックの温度の測定値であるので、２つの温度が分かっている場合、カソード側の空気ブロワの回転速度を微調整、及び／又は、分流器を微調整することによって、燃料電池スタックにおける温度を変更することができる。分流器が、カソード側の供給空気の温度に基づいて作動し、かつ、カソード側の排気温度の閉ループ制御を設定値にする閉制御ループにリンクされている場合、カソード側の排気の設定値温度の閉ループ制御は、単に、カソード側の空気ブロワを微調整することによるカソード側の排気温度に基づいて可能となり、最終的には、燃料電池スタックの温度の設定をもたらす。

本発明は、熱交換器において予め加熱された及び熱交換器において予め加熱されていないカソード側の供給空気部分を燃料電池スタックに供給する点、並びに、供給されるカソード側の供給空気の全体的な流量とカソード側の供給空気の各部分の流量の比率とによって、燃料電池スタックの熱及び温度のバランスを微調整する点において、一般の方法よりも高性能にしたものである。このようにして、本発明による燃料電池システムの利点及び特殊な機能が、本方法の範囲においても達成され、これは同様に、以下に説明するように、本発明による方法の好ましい実施形態に適用される。

これは、燃料電池スタックに入る前のカソード側の供給空気の温度を第１の温度センサによって検出し、燃料電池スタックを出た後のカソード側の排気温度を第２の温度センサによって検出し、温度センサによって与えられた信号を制御装置によってマッピングしかつ処理し、かつ、制御装置において処理された信号に応じて、カソード側の供給空気の総供給量とカソード側の供給空気の各部分の流量の比率を制御装置によって微調整することで高性能にされる。

さらに、カソード側の空気ブロワが制御装置によって作動され、分流器の後に続くカソード側の空気ブロワが制御装置によって作動され、かつ、分流器の第１の出力流が、熱交換器を介して燃料電池スタックに供給するカソード側の供給空気部分を形成し、分流器の第２の出力流が、熱交換器を迂回して燃料電池スタックに供給するカソード側の供給空気部分を形成することで提供される。

同様に、燃料電池スタックに入る前に、カソード側の供給空気の各部分を混合し、かつ、混合物が生成されるときに、第１の温度センサが、その温度を検出することで有利に提供される。

本発明は、分流器、及び／又は、カソード側の空気ブロワを作動させることにより、燃料電池スタックに入るカソード側の供給空気の温度の閉ループ制御を第１の温度センサによって与えられた信号に基づいて行うことで特に高性能にされる。

さらに、分流器、及び／又は、カソード側の空気ブロワを作動させることにより、第２の温度センサによって与えられた信号に基づいて燃料電池スタックの温度の閉ループ制御を行う構成としてもよい。

本発明は、ここでは互いに独立しているカソード側の供給空気の全体的な流量の設定及びカソード側の供給空気の温度の設定により、燃料電池スタックの熱及び温度のバランスの微調整が可変性を高めて可能になるという発見に基づいている。カソード側の供給空気の温度、及び、カソード側の排気温度に基づいて作動する閉制御ループの範囲において、カソード側の供給空気の全体的な流量を設定すること、及び、カソード側の空気の各部分を設定することが、特に好都合であることを証明し得る。

以下、特に好ましい実施形態として添付の図面を参照して本発明を詳細に説明する。

本発明による燃料電池システムの概略図である。

図１は、本発明による燃料電池システムの概略図である。燃料電池システムは、燃料供給装置３２と、ブロワ３４を介して燃料及び空気の供給を受ける改質器４４とを含む。図示された燃料供給装置３２及びブロワ３４に加えて、別の燃料供給装置及びブロワを設けることにより、改質プロセスの設計をさまざまな形態とすることもできる。本例では、改質器３０を使用して、酸化体として空気のみに基づいて作用する接触改質を行う。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば水など同様に他の酸化体を使用することも可能である。改質器４４では、水素に富んだ改質物３６が生成され、それが燃料電池スタック１０のアノード端に供給される。燃料電池スタック１０のカソード端は、カソード側の空気ブロワ２８を介してカソード側の供給空気の供給を受ける。出力側端部において、カソード側の排気３８及びアノード側の排ガス４０が、燃料電池スタック１０から排出される。アノード側の排ガス４０として燃料電池スタックから出る劣化した改質物は、アフターバーナ１２まで進み、そこでアフターバーナ空気ブロワ４２によって、酸化体としてさらに空気が送り込まれる。アフターバーナ１２を同様に別の燃料供給装置に割り当ててもよい。アフターバーナ１２では酸化反応が生じ、結局、アフターバーナ１２を出る排ガスは完全に酸化され、排ガス１４は、熱交換器１６を通過する。カソード側の空気ブロワ２８によって送り込まれるカソード側の供給空気の流れ方向の熱交換器１６の上流には、改質器３０が配置される。この分流器は、熱交換器１６を通過するカソード側の空気部分１８、及び、熱交換器１６を迂回するカソード側の空気部分２０を生成する。カソード側の供給空気が燃料電池スタック１０に入る前にカソード側の空気部分１８、２０は混合される。２つの温度センサ２２、２４が設けられ、第１の温度センサ２２はカソード側の供給空気の温度、すなわち、混合されたカソード側の空気部分１８、２０の温度を検出する。別の温度センサ２４が、カソード側の排気３８の温度を検出する。温度センサ２２、２４によって与えられた信号は、改質器３０を設定しているときには、カソード側の空気ブロワ２８の回転速度を微調整する制御装置２６に転送される。制御装置は、例えば燃料電池システムの総合的な制御など、他の作業を処理してもよい。

上述した組立体により、２つの閉制御ループを達成できる。その一方の閉制御ループは、温度センサ２２によって検出されるカソード側の供給空気の温度に基づき作動し、それにより、分流器の設定が操作変数としての役割を果たす。他方の閉制御ループは、温度センサ２４によって検出されたカソード側の排気温度に基づいて作動する。この場合、カソード側の空気ブロワ２８の回転速度を操作変数として使用する。同様に、カソード側の空気ブロワ２８の回転速度を使用し、カソード側の供給空気用の温度センサ２２で検出される温度とカソード側の排気用の温度センサ２４で検出される温度との温度差に基づいて、閉制御ループを作動させることが可能である。しかし、いずれにしても、カソード側の空気流の閉ループ制御がカソード側の排気の温度に基づくものである従来のシステムと比較して、ここでは、特に燃料電池スタック１０の熱及び温度のバランスに関して、燃料電池システムの作動を微調整する別の可能性を提供する。

上述した説明及び図面で開示し、かつ、特許請求された本発明の特徴は、本発明をそれ自体又は任意の組み合わせの双方において達成するために必要なものでありうることを理解されたい。

１０…燃料電池システム、１２…アフターバーナ、１４…排ガス管／排ガス、１６…熱交換器、１８…カソード側の供給空気部分、２０…第２のカソード側の空気部分、２２…温度センサ、２４…温度センサ、２６…制御装置、２８…カソード側の空気ブロワ、３０…分流器、３２…燃料供給装置、３４…ブロワ、３６…改質物、３８…カソード側の排気、４０…アノード側の排気、４２…アフターバーナ空気ブロワ、４４…改質器

Claims (12)

1. 燃料電池スタック（１０）と、前記燃料電池スタックから出る排ガス燃焼用のアフターバーナ（１２）と、前記アフターバーナの排ガス管に配置された、前記燃料電池スタック（１０）に供給するためのカソード側の供給空気（１８）を加熱できる熱交換器（１６）とを含む燃料電池システムにおいて、
   −前記燃料電池スタック（１０）に、前記熱交換器（１６）において予め加熱することなくカソード側の供給空気（２０）を供給でき、かつ
   −供給されたカソード側の供給空気の全体的な流量と、前記熱交換器において加熱された及び前記熱交換器において加熱されない前記カソード側の供給空気部分（１８、２０）の流量との比率によって、前記燃料電池スタック（１０）の熱及び温度のバランスを微調整できることを特徴とする燃料電池システム。
2. −前記燃料電池スタック（１０）に入る前の前記カソード側の供給空気の温度を検出するために第１の温度センサ（２２）が設けられ、
   −前記燃料電池スタック（１０）を出た後の前記カソード側の排気温度を検出するために第２の温度センサ（２４）が設けられ、
   −前記温度センサ（２２、２４）によって与えられた信号をマッピングしかつ処理するための制御装置（２６）が設けられること、及び
   −カソード側の供給空気の総供給量と、前記熱交換器において加熱された部分及び前記熱交換器において加熱されない部分の前記カソード側の供給空気（１８、２０）の流量の比率とを、前記制御装置（２６）において処理された信号に応じて微調整できることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. −前記制御装置（２６）によって作動されるカソード側の空気ブロワ（２８）が設けられ、
   −前記カソード側の空気ブロワ（２８）に、前記制御装置（２６）によって作動される分流器（３０）が続き、かつ
   −前記分流器の第１の出力流が、前記熱交換器（１６）を介して前記燃料電池スタック（１０）に供給するための前記カソード側の供給空気の部分（１８）を形成し、かつ、前記分流器の第２の出力流が、前記熱交換器を迂回して前記燃料電池スタックに供給する前記カソード側の供給空気の部分（２０）を形成することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. −前記燃料電池スタックに入る前に、前記カソード側の供給空気の部分（１８、２０）が混合ゾーンにおいて混合され、かつ
   −前記第１の温度センサが、前記混合ゾーン内に配置されるか、その下流に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記分流器（３０）、及び／又は、前記カソード側の空気ブロワ（２８）を作動することによって、前記燃料電池スタック（１０）に入る前記カソード側の供給空気の温度の閉ループ制御が前記第１の温度センサ（２２）によって与えられた信号に基づいて行われることを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
6. 前記分流器（３０）、及び／又は、前記カソード側の空気ブロワ（２８）を作動しているとき、前記燃料電池スタック（１０）の温度の閉ループ制御が前記第２の温度センサ（２４）によって与えられた信号に基づいて行われることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 燃料電池システムに配置された燃料電池スタック（１０）の熱及び温度のバランスを微調整する方法であって、前記燃料電池システムが、さらに前記燃料電池スタック（１０）から出る排ガス燃焼用のアフターバーナ（１２）と、前記アフターバーナ（１２）の排ガス管（１４）に配置され、前記燃料電池スタックに供給されるカソード側の供給空気（１８）を加熱できる熱交換器（１６）とを含む方法において、
   −前記熱交換器（１６）において予め加熱されるカソード側の供給空気部分（１８）、及び、前記熱交換器（１６）において予め加熱されないカソード側の供給空気部分（２０）が前記燃料電池スタックに供給され、かつ
   −供給される前記カソード側の供給空気の全体的な流量と、前記カソード側の供給空気の各部分（１８、２０）の流量と比率によって、前記燃料電池スタック（１０）の熱及び温度のバランスを微調整することを特徴とする方法。
8. −前記燃料電池スタック（１０）に入る前の前記カソード側の供給空気の温度が第１の温度センサ（２２）によって検出され、
   −前記燃料電池スタック（１０）を出た後の前記カソード側の排気温度が第２の温度センサ（２４）によって検出され、
   −前記温度センサ（２２、２４）によって与えられた信号が制御装置（２６）によってマッピングされるとともに処理されること、及び
   −カソード側の供給空気の総供給量と、前記カソード側の供給空気の各部分（１８、２０）の流量との比率が、前記制御装置（２６）において処理された信号に応じて、前記制御手段によって微調整されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. −カソード側の空気ブロワ（２８）が前記制御装置（２６）によって作動され、
   −分流器（３０）に続く前記カソード側の空気ブロワ（２８）が、前記制御装置（２６）によって作動されること、及び
   −前記分流器の第１の出力流が、前記熱交換器（１６）を介して前記燃料電池スタック（１０）に供給するための前記カソード側の供給空気の部分（１８）を形成し、かつ、前記分流器の第２の出力流が、前記熱交換器を迂回して前記燃料電池スタックに供給される前記カソード側の供給空気の部分（２０）を形成することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. −前記燃料電池スタック（１０）に入る前に、前記カソード側の供給空気の各部分（１８、２０）が混合されること、及び
    −混合物が生成されるときに、前記第１の温度センサ（２２）が、その温度を検出することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記分流器（３０）、及び／又は、前記カソード側の空気ブロワ（２８）を作動させることにより、前記燃料電池スタック（１０）に入る前記カソード側の供給空気の温度が、前記第１の温度センサ（２２）によって与えられる信号に基づいて、閉ループにおいて制御されることを特徴とする請求項９又は１０に記載の方法。
12. 前記分流器（３０）、及び／又は、前記カソード側の空気ブロワ（２８）を作動させることにより、前記燃料電池スタック（１０）の温度が、前記第２の温度センサ（２４）によって与えられた信号に基づいて、閉ループにおいて制御されることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の方法。

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