JP4533747B2

JP4533747B2 - 低温燃料電池発電装置における燃料処理器での蒸気発生のための燃料制御

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Publication number: JP4533747B2
Application number: JP2004530876A
Authority: JP
Inventors: アイソム，ジョシュア，ディー．; フォ，ハ−アン，エイチ．; カビール，ザキウル; マージョット，ポール，アール．; ヴァルタニアン，ジョージ
Original assignee: ユーティーシーパワーコーポレイション
Priority date: 2002-08-20
Filing date: 2003-08-06
Publication date: 2010-09-01
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Description

本発明は、燃料電池発電装置に関し、特に、燃料電池積層組立体への水素濃度の高い燃料（高濃度水素燃料）の送り出しと、そして、その制御に関する。とりわけ、本発明は、低温燃料電池発電装置における燃料処理器での蒸気発生のための燃料制御に関するものである。

ほとんどの燃料電池発電装置では、酸化剤との電気化学的な反応のための還元剤を供給するため、高濃度水素燃料を燃料電池積層組立体（ＣＳＡ）のアノードへ供給することに依存しており、電気的エネルギーとその副産物である水と熱を提供する。例えば、空気である酸化剤は、ＣＳＡのカソードへ供給される。このアノードとカソードとは、ＣＳＡの型式を規定する電解質によって分離される。一般的な電解質は、リン酸でありかつリン酸であった。リン酸型の燃料電池は、比較的高い温度で動作する傾向にあり、その結果として、利益と不利益とを伴う。より最近の燃料電池は、ＰＥＭ電池であり、電解質として、高分子（ポリマー）からなる電解質の膜、又は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）を採用している。このＰＥＭ燃料電池は、上記リン酸型電池の温度より十分に低い温度（そして、時には圧力）で、一般的には、水の沸点より低い温度で動作し、その結果これがこの燃料電池への関心とその適用とを増大するのに寄与する多くの利点となっている。一方、このＰＥＭ燃料電池の動作における低い温度は、また、幾つかの追加的な挑戦をも創り出している。

多くの燃料電池発電装置における場合のように、必要な燃料反応物である高濃度水素、即ち、還元剤の流れをアノードへ供給するため、原料の炭化水素供給材（原料炭化水素供給材）の源（ソース）が発電装置の内部において処理される。その処理は、既知の一方法では、水素を、炭化水素供給材の炭素及び／又は酸素の成分から分離するのに役立つ燃料処理システム（ＦＰＳ）によって行なわれる。それら殆どの処理に共通するのは、改質器を使用することであり、そして、追加的にシフト変換器を含めたり、場合によっては選択的酸化器を含めたりすることも共通している。炭化水素供給材の改質では、通常、ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯで例示される改質反応が利用されており、それに続くシフト変換反応は、ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂によって例示される。この改質は、米国特許第６，１２０，９２３号において詳細に述べられるように、例えば、触媒式蒸気改質器（ＣＳＲ）又は自熱式改質器（ＡＴＲ）等、種々の型式の改質器によって行うことができる。ＣＳＲでの反応は、吸熱性であり、追加的に熱を必要としており、これに対し、ＡＴＲでの反応は発熱性であり、別途、追加的な熱を必要とはしない。改質器の型式は、改質される供給材の関数として変わり得るが、加熱されて蒸気となる水（Ｈ₂Ｏ）が反応に使用されるという共通の要求仕様を備えている。更に、それらの反応は蒸気のエンタルピー（全熱量）によって促進され、そして、少なくともＣＳＲでは、付加的な熱を要求する。それぞれに特異な燃料供給システムの改質器にとっては、それに対応して、様々な動作／負荷条件で燃料電池に必要とされるＨ₂の製造のための最適な蒸気−対−炭素の比が存在する。

上述したように、高温で動作するリン酸の燃料電池システムは、従って一般に、全ての条件下で改質反応に必要な蒸気を供給するために十分な熱容量を持っていた。これに対し、ＰＥＭ電池など、低温で動作する燃料電池では、改質反応のために、水を蒸気にするための付加的な熱源を設けることが必要であった。上記米国特許第６，１２０，９２３号により代表される技術では、ＣＳＡのアノードから排気流出物として流出する不使用の燃料反応物ガスを利用して、燃焼器及び／又はボイラーへ燃料として供給し、もって、必要な蒸気と熱とを供給している。一般に、追加的な熱のために使用されるアノードからの排気流出物燃料の流量は、システムの電気負荷の関数として調節されていた。これによれば、ある程度までは燃料流量を負荷要求量に追従させることが出来るが、しかしながら、必ずしも、全ての想定される条件下において、増加（アップ）及び減少（ダウン）の双方で、効率的な過渡応答に必要とされる蒸気エンタルピーを供給するものではなかった。

発電装置が、常に、負荷により要求されるレベルで、又は、その近傍で動作するように、ＣＳＡを負荷に接近して追従させることが望ましい。このような負荷追従動作によって、発電装置システムは、変動する負荷要求に必要な電力を確保しながら、より効率的な寸法及び動作とすることができる。負荷が増加している期間に、ＣＳＡにとって十分な燃料を処理するに十分な蒸気を発生することが望ましいだけではなく、負荷が減少している期間に、経済的かつ構造的な理由の双方にとって、蒸気圧力が過剰にならないことが望ましい。そして、このことは、蒸気の均衡（バランス）した供給を要求する。しかしながら、以上に述べたように、低温の燃料電池発電装置における熱エネルギーの現在の管理では、一般に、負荷追従動作を効率的に支えるのに必要なＣＳＡのアノードにおける水素燃料の要求量の変動に適応するため、燃料の改質処理において必要とされる応答性を提供するには不十分である。

従って、本発明の目的は、負荷追従動作を支えるのに必要な水素燃料の要求量変動に適応するため、燃料改質処理で必要とされる応答性を提供する低温燃料電池発電装置における熱エネルギーの管理のための装置を提供することである。

本発明の他の目的は、燃料電池の負荷追従動作に効率的に応答するための、燃料改質処理にとって十分でかつ均衡の取れた熱エネルギーを確保するための装置を提供することである。

本発明の更に他の目的は、燃料電池のオンデマンド（需要即時応答）動作を支えるべく、均衡の取れた蒸気供給と共に、燃料改質器の他の可能性のある熱要求を支援するため、燃料電池からの流出物の流れを均衡させるように、燃料電池のアノードへの燃料流量を制御するための装置を提供することである。

本発明は、低温燃料電池積層組立体（ＣＳＡ）と、蒸気を必要とする燃料処理システムと、そして、前記燃料処理システムへ蒸気を供給するための手段とを備えた燃料電池発電装置における制御装置であって、オンデマンド動作のため燃料電池積層体へ十分な燃料を供給しかつ燃料処理システムのため十分な蒸気を発生するように、燃料処理システムへの燃料流量を制御する制御装置である。燃料処理システムは、処理蒸気を使用して、炭化水素供給材を高濃度水素燃料に変換して、ＣＳＡのアノードに供給する。アノードからの水素を含んだ排気流出物は、燃料処理システムのための処理蒸気を発生するための熱エネルギーを供給するのに利用される。炭化水素供給材の流量は、処理蒸気を供給するためのエンタルピーを維持するように制御されており、蒸気圧制限を越えることなく、ＣＳＡに対する電気要求量の上昇及び低下に即座に応答すべく、要求される高濃度水素燃料を提供する。

電気要求量を測定するために燃料電池の負荷電流が監視（モニター）され、そして、燃料処理システムへの燃料流量を、また、ＣＳＡのアノードへの燃料流量をも制御するため、基本制御信号が出力される。蒸気の一パラメータである、例えば、圧力又は温度が、炭化水素供給材を変換してＣＳＡのアノードで必要な高濃度水素燃料を供給するために入手可能な蒸気供給物のエンタルピーの測定値として、監視され、そして、補正又は補償信号を、負荷電流信号から生成された制御信号へ供給し、もって、上下する過渡状態の期間、蒸気圧の制限内において、十分で、ＣＳＡに対しての変動する負荷要求量の下でも均衡の取れた蒸気の供給を確保する。これらの蒸気圧の制限は、一般に、高圧側の制限に関連してはシステムの構造的制限によって、そして、低圧側の制限に関連しては最小の動作要求量によって決定され、システム毎に異なるであろう。実際の燃料流量が監視され、燃料流量制御信号へフィードバック信号が出力される。燃料流量の制御は、流量弁、送風機等の調整によって行なうことができる。制御装置は、所望の応答性に必要なこれらの部材を含んでおり、そして、必要な機能を提供することが可能な種々の形態で実現化することができる。それぞれの制御ループが、１つ又は複数のアルゴリズムを有し、一般に、比例／積分（ＰＩ）制御を利用する外部及び内部の制御ループを使用することが好ましい。

燃料処理システムは改質器を含んでおり、この改質器としては、部分的には炭化水素供給材及び他の要因に応じて一般に、自熱式改質器（ＡＴＲ）又は触媒式蒸気改質器（ＣＳＲ）であろう。ＣＳＲが使用された場合には、例えば、改質器における頂上筒部温度のように、改質器内の吸熱反応条件を示す温度が、付随的に監視され、燃料流量制御信号を更に調整するために使用する温度信号が出力される。

本発明の上述の特徴や利点は、添付の図面に図示される例示的な実施例についての以下の詳細な記載を考慮してより明らかとなろう。

図１には、燃料電池発電装置１０が示されており、この装置は、燃料電池積層組立体（スタックアッセンブリ）（ＣＳＡ）１２と、炭化水素供給材の流れを高水素濃度燃料に変換してＣＳＡ１２へ供給する蒸気依存型の燃料処理システム（ＦＰＳ）１４と、その間に電気負荷１８が接続されるＣＳＡ１２の出力からの電気端子１６と、そして、炭化水素供給材供給物のＦＰＳ１４への流量を、ＦＰＳ１４での蒸気の要求量を最適にしながら、需要即時応答動作の下でＣＳＡ１２へ適切な高濃度水素燃料を供給するように制御する制御装置５０とを備えている。

ＣＳＡ１２は低温燃料電池であり、一般的に、ＰＥＭ型のものであり、沸点より下で、一般的には、約４．５°Ｃ（４０°Ｆ）〜８２°Ｃ（１８０°Ｆ）の範囲で動作する。ＣＳＡ１２は、アノード領域２２、カソード領域２４、そして、電解質領域２６を含んでおり、この場合、この電解液領域２６は高分子電解質膜（ＰＥＭ）である。ＣＳＡ１２は、よく知られた方法で、燃料反応物と酸化剤反応物とを水と電気エネルギーへ電気化学的に変換する。本発明が、アルカリ電池など、他の電解質媒体を有するその他の低温燃料電池にも適用可能であることが理解されよう。加えて、ＣＳＡ１２及び発電装置１０は、一般に、全体では、その殆どはここでは個別には示していないが、良く知られた水管理部を含んでいる。かかる水管理は、ＣＳＡ１２に関連して、ＣＳＡへ水を供給し又はＣＳＡから水を取り除くためのクーラ（冷却器）又は水輸送媒体と共に、熱伝達と蒸気生成のための個別の水管理用配管をも含んでいる。

ＣＳＡ１２のアノード２２は、電気化学反応における還元反応物として働く高濃度水素燃料の供給物を、ＦＰＳ１４から配管２８を介して、受入している。その燃料の一部は、ＣＳＡ１２内の反応において消費されるが、しかしながら、使用されない部分は、アノード２２から排気流出物として、配管３０へ排出される。そのアノード排気流出物は、一部減損（ｄｅｐｌｅｔｅｄ）した供給水素を含んでおり、この流出物は、その燃焼によってＦＰＳ１４のために少なくとも蒸気を生じる熱源として、加えて、ＣＳＲの場合には、改質器へ熱を供給するために利用することが出来る。加えて、このアノード排気流出物は、アノード２２へ再循環することも出来る。

ＦＰＳ１４を詳細に参照すると、そこには、ＣＳＲ１２のために燃料供給材を高濃度水素燃料供給物へ変換する改質器、この場合には自熱式改質器（ＡＴＲ）３２、が含まれている。このＡＴＲ３２は、既知の設計になる既知の動作を行なうものであり、発熱によって燃料供給材と水（蒸気の形態で）と空気とを、Ｈ₂とＣＯとに変換する。ＡＴＲ３２からの流出物を更に処理して、更にＣＯとＣＯ₂とにシフトさせ、かつ、Ｈ₂の収量を増大するため、ＦＰＳ１４は、一般に、詳細は示さないが、シフト変換器、選択的酸化器等をも含めて、付随的な構成部品３４をも備えている。燃焼器３６（時には、「改質器燃焼器」とも称す）には、直接に、又は、配管３０を介して間接的に、部分的に減損された水素流出物がアノード２２から供給され、その水素は燃焼されて改質処理を促進するための熱源として働く。燃焼器３６の排気からの熱は、熱交換器を含む配管３８を介して、少なくともボイラー又は蒸気発生器４０の一次側４０’に搬送される。液体として又は蒸気を含む二相としての水は、水管理システムから配管４２を通って、ボイラー４０の二次側４０”へ入り、そして、そこで加熱されて蒸気になる。蒸気発生器４０内で発生された蒸気は、そこから配管４４を通って出て、改質器３２における改質反応において、燃料供給材と共に利用することが可能となる。その圧力及び／又は温度によって示されるこの蒸気のエンタルピーが、高濃度水素燃料の所望の要求量に対して十分な量の原料燃料供給材を、少なくともその一部において、改質する蒸気の能力を決定する。ＣＳＲを使用する場合には、以下にも説明するように、加えて、改質器燃焼器からの熱を、改質器を直接加熱するために使用することが好ましいであろう。

燃料電池発電装置１０、そして、特に、ＦＰＳ１４は、システムの安全で効率的な動作を保証確保するため、蒸気圧について上下の制限を有していることが理解されよう。これらの蒸気圧の制限は、一般には、高圧側の制限に関してはシステムの構造上の制限により、そして、低圧側の制限に関しては動作上の最小の要求量によって決定され、それらは、それぞれのシステム毎に異なろう。

原料燃料供給材は、配管４６を介して改質器３２へ供給される。この原料燃料供給材は、この目的のために一般的に使用される、ガソリン、ディーゼル油、天然ガス、プロパン、軽ナフサ等、多数の炭化水素のいずれかであろう。一般に、ＡＴＲは、より重質の燃料を改質するために使用され、これに対して、軽質の燃料は、ＣＳＲを使用して、同様に改質されるであろう。更には、ここで使用される「炭化水素」は、重質のＣ−Ｈだけの炭化水素だけではなく、アルコールや他の酸素を含む炭化水素をも含むものと考えるべきである。原料燃料供給材の流量は、弁、送風機等から構成できる配管４６内の可変の流量制御装置４８によって管理又は制御される。この可変流量制御装置４８は、そこでは燃料が比較的に冷たい改質器３２の上流に在るものとして描かれているが、しかしそれに代えて、ＣＳＡ１２に至る以前の、改質器３２の下流側の様々な場所のいずれかに配置してもよいことが理解されるであろう。配管４４内の蒸気は、それ以降では改質器内で改質反応が生じることとなる連結部４９において、改質器３２へ導入される直前の原料燃料供給材に添加、又は、混合される。

制御装置（又は、単に「制御器」５０と言う）が、流量制御装置４８を制御するために設けられている。本発明の目的は、改質器３２への原料燃料供給材の適切な流量を提供し、次いで、改質物へ変換して、負荷１８により要求される特定の電力要求量に対してＣＳＡ１２を作動させるのに、また、原料燃料供給材の必要な変換のために適正な蒸気エンタルピーを確保するために十分な熱エネルギーが少なくとも蒸気発生器４０へ供給されるように改質器燃焼器３６へも燃料を補給するのに、十分な供給量の高濃度水素燃料を提供することである。この後者の点については、制御器５０は、電流計のような電流（Ｉ）検出器５２によって測定される、ＣＳＡ１２に対する電気要求量、又は、負荷電流（Ｉ）と、そして、例えば、圧力検出器Ｐにより測定される圧力（Ｐ）により反映される蒸気供給システム４０のエンタルピーとを監視している。蒸気は飽和しており、従って、蒸気の圧力又は温度の一方を蒸気エンタルピーの測定値として用いることが出来、また、圧力はＰＥＭシステムの低温部ではより正確に測定されることから、圧力が好ましいことが理解されよう。測定された電流及び測定された蒸気圧は、それぞれ、配線５３、５４を介して制御器５０への入力として出力される。ここでのこの文脈では、用語「配線（ライン）」は、それぞれに関連する信号を記号化するために使用されており、固定配線された導電体として限定する意図ではないことが理解されよう。流量制御指令信号ＦＣが出力として、制御器５０から、必要な燃料流量制御動作を行なうために可変流量制御装置４８から構成されるアクチュエータへ接続される配線５６上に出力される。その結果である燃料流量の状態（ステータス）は、配管４６に接続された燃料流量検出器ＦＦＬによって監視されており、対応する状態信号ＦＦＬが配線５８を介して制御器５０へフィードバックされる。図２を参照し、下記の本発明の更に他の実施例に関連して、任意選択の温度検出器Ｔが、改質器３２（又は、１３２）の頂上筒（チューブ）部の温度を監視するために接続されており、その温度が、ここでは破線で示されるように、配線６０を介して、制御装置５０へ任意選択の入力として供給される。いずれの場合においても、この制御器によって、蒸気圧の制限内で動作しながらも、蒸気のエンタルピーが電力要求量の増加及び減少に適合して制御されることが確保される。

図２を参照して、燃料電池発電装置の省略された部分が、改質器の代替的な型式、この場合には、図１のＡＴＲ３２に代えて、触媒式蒸気改質器（ＣＳＲ）１３２によって示されている。このＣＳＲ１３２は吸熱的に動作し、そして、吸熱反応に必要とされる熱を、上記改質器燃焼器１３６から、ＣＳＲ１３２に近接する熱交換器１３７を介して、間接的に得ている。更に、改質器燃焼器１３６の排気は、そこから熱交換器１３７を介して流れ、上記ＡＴＲ３２のために行なったように、ＣＳＲ１３２における改質反応に使用する蒸気を発生する機能を備えた蒸気発生器１４０の一次側に熱を供給する。ＣＳＲ１３２の頂上筒部温度（Ｔ）は、温度検出器Ｔによって得られ、ここでは部分的にしか示されないが、配線６０を介して、制御器１５０への入力として延長されている。頂上筒部温度は、ＣＳＲ１３２の動作状態の良きインジケータ（指標）であり、その情報は、ＣＳＲ１３２が比較的低温で動作することから、ＡＴＲ３２よりもむしろＣＳＲ１３２にとって、より重要である。

図３は、本発明の基本制御装置５０を単純化して示すものである。ここには基本的な２つの入力、即ち、電流（Ｉ）により表される燃料電池負荷要求量と、蒸気圧（Ｐ）で表される蒸気エンタルピーとが含まれている。また、燃料流量状況のフィードバック信号（ＦＦＬ）も含まれている。負荷電流（Ｉ）は、システムの燃料流量要求量を制御するための基本的な要求信号を示している。圧力信号（Ｐ）は、制御装置６２を介して処理され、基本要求信号を変更するためのブロック６１で使用される調整信号又は補正信号を発生する。ＦＦＬフィードバック信号は、変更された基本要求信号を用いて制御装置６４を介して処理され、制御器５０から出力されかつ必要な燃料流量の制御動作を実行する働きをする流量制御指令信号ＦＣを出力する。本発明の更に他の実施例によれば、ＣＳＲ１３２からの頂上筒部温度（Ｔ）が、制御器５０（又は１５０）への任意選択の更なる入力として、破線で示されており、そして、同様に、基本要求信号を変更するため、比例／積分動作を備えた制御装置６６を介して処理される。以下にその動作を詳細に説明する制御器５０及び／又は１５０は、ディスクリート回路、デジタル又はアナログで、或いは、専用の論理回路と共に関連する回路を含み、及び／又は、全体又は部分的に、機能上の教示内容に合致する既知の方法でプログラム可能な、集積されたデジタル回路を含めて、様々な異なる形態のいずれで実施されてもよいことが理解されるであろう。一般的に、制御器５０及び／又は１５０は、その大部分が、制御のためのソフトウェアに依存するプログラム可能なデジタル処理手段を備えることとなろう。

特に、図１のＡＴＲ３２と共に使用するに特に好適なより基本的な構成を示す図４、及び、特に、図２のＣＳＲ１３２と共に使用するに特に好適な改良を示す図５を参照して、本発明になる（複数の）制御装置のより詳細な分析に注目する。まず、図４を参照して、制御器５０は、所謂「インナーループ」５０’と「アウターループ」５０”とを備えたカスケード構造となっている。このインナーループ５０’は、好ましくは比例／積分（ＰＩ）動作を備えた制御装置６４を使用し、そして、測定した燃料流量のフィードバックＦＦＬを、アウターループ５０”において算出され又は導出された設定点と比較し、もって、必要な燃料流量を提供するために流量制御装置４８の位置又は状態を設定するための出力指令信号ＦＣを出力する。アウターループ５０”は、好ましくはＰＩ動作を備えた制御装置６２を含んでおり、これは、測定された蒸気圧フィードバックＰを、燃料電池の電流Ｉの関数である、蒸気圧設定点Ｐ_SPに対して比較し、もって、流量補償値を導出する。この流量補償値は、予想される流量の設定点に加えられており、補償された流量設定点をインナーループ５０’へ出力している。

より特定的には、燃料電池の負荷電流信号Ｉは、ＣＳＡ１２に対する現在の要求量を示す入力として与えられており、基本的な燃料流量制御の設定点を発生するための基礎として働く。その負荷信号Ｉは、スケジュールブロック又は関数７０の入力へと延長されている。動作における上下の過渡状態に適合して、適切な進み及び／又は遅れ（図示せず）が出力されることとなろう。スケジュールブロック７０が、負荷電流Ｉと通常の定常状態の条件下での所望の燃料流量Ｗとを相関させており、その結果としての配線７２上の信号は、負荷追従動作のための一次設定点となる。

測定された蒸気圧Ｐは、制御装置６２内において、配線６３上に出力された蒸気圧設定点Ｐ_SPと比較され、制御装置６２は、配線７５上に圧力補正又は補償係数を出力するように働く。この蒸気圧設定点Ｐ_SPは、負荷電流を所望の蒸気圧と相関付けるためのスケジュールブロック６５への測定電流Ｉの入力によって決定され、これは多分、定格制限されるであろう（図示せず）。これらの信号Ｐ及びＰ_SPは、その後、制御装置６２において条件付けて処理される。これには、例えば、誤差信号を決定すること、Ｐ／Ｉ制御アルゴリズムにより誤差信号に条件付けをすること、可能であれば選択されたフィードフォワード信号によって加算すること、及び／又は、異常応答を排除するために意図された「信頼」ゾーンを設定するために、結果として生じる信号に制限を加えることをも含めて、様々な方法によって実行されよう。その結果として配線７５上に生じる補償信号は、スケジュール７０からの燃料流量設定点信号７２を乗算又は加算からなる論理回路７７を介して変更し、そして、出力線７８上に、時間単位での流体の体積又は重量によって、所望の燃料流量の設定点、即ち、「速度」を指示する。

インナーループ５０’ を参照すると、圧力論理回路７７からの圧力補正又は補償された燃料流量設定点信号は、配線７８上を制御装置６４まで延びており、そして、最終的に燃料流量指令信号ＦＣを出力するために測定された燃料流量信号ＦＦＬが比較される設定点を提供する。これは、例えば、誤差信号を決定すること、Ｐ／Ｉ制御アルゴリズムにより誤差信号に条件付けすること、可能であれば選択されたフィードフォワード信号により加算すること、及び／又は、異常応答を排除するために意図された「信頼」ゾーンを設定するために、結果として生じる信号に制限を加えることをも含めて、様々な方法によって実行されよう。その結果として配線８０上に信号値として現れる信号は、流量制御指令信号ＦＣとして使用される。このＦＣ指令信号は、流量制御装置４８に関連する制御装置の型式に応じて、アナログ値として出力され、又は、それを表す可変幅の比例したパルスに変換されて出力される。いずれの場合も、このＦＣ指令信号は、弁のオリフィス又は送風機の速度を制御する等、流量制御装置４８の必要な動作を制御するために有効である。

さて、図５を参照すると、ＣＳＲ１３２を備えた図２の発電装置のための制御器１５０が、より詳細に示されている。この制御器は、好ましくはＰＩ動作を備えた制御装置１６４を使用したインナーループ１５０’を含み、このインナーループ１５０’は、測定された燃料流量フィードバックＦＦＬを、一対のアウターループ１５０”と１５０’”で算出され又は導出された設定点と比較し、もって、必要な燃料流量を供給するため、流量制御装置４８の位置又は状態を設定する出力指令信号ＦＣを出力する。制御器１５０は、多くの点において、図４の制御器５０と同様であり、その重要な相違は、第２のアウターループ１５０’”が、ＣＳＲ１３２の頂上筒部温度を燃料流量制御関数に織り込むために設けられていることである。

第１のアウターループ１５０”は、好ましくはＰＩ動作を備えた制御装置１６２を含んでおり、これは、測定された蒸気圧フィードバックＰを、燃料電池電流Ｉの関数である蒸気圧設定点Ｐ_SPに対して比較し、温度に相関する第１の補償値を導出する。この第１の補償値は、測定された燃料電池電流Ｉと温度を相関付けることにより決定される値に加えられ、そして、その結果が、第２のアウターループ１５０’”において、制御装置６６のための温度設定点として働く。ＣＳＲ１３２の実際の頂上筒部温度Ｔは、制御装置６６において、第１のアウターループ１５０”により出力された設定点と比較されて、温度に基づく補正又は補償値が出力される。この補償値と、燃料電池電流Ｉに基づいて予測される流量設定点との積が、インナーループ１５０’に対して補償された流量の設定点を出力する。

より特定的には、燃料電池の負荷電流信号Ｉは、スケジュールブロック又は関数８８へ入力として加えられる。スケジュールブロック８８は、負荷電流Ｉを、所望の条件下では、通常それと関連する改質器の頂上筒部温度と相関付ける。この関数ブロック８８の出力は、乗算又は加算によって、制御装置１６２から出力される補正信号値による調節のため、配線８９を介して接合部８４にまで延長している。

測定された蒸気圧Ｐは、制御装置１６２内において、リード線１６３上に出力される蒸気圧設定点Ｐ_SPと比較される。蒸気圧設定点Ｐ_SPは、負荷電流を所望の蒸気圧と相関付けるスケジュールブロック１６５への測定電流Ｉの入力によって決定され、そして、これは多分、定格制限されるであろう（図示せず）。比較された信号は、その後、制御装置１６２内で条件付けされる。これは、例えば、誤差信号を決定すること、Ｐ／Ｉ制御アルゴリズムにより誤差信号に条件付けをすること、可能であれば選択されたフィードフォワード信号により加算すること、及び／又は、異常応答を排除するために意図された「信頼」ゾーンを設定するために、結果として生じる信号に制限を加えることを含め、様々な方法によって実行されよう。制御装置１６２の出力１７５は、配線９０上に第１の補償された温度設定点信号Ｔ_SPを出力するため、そこで関数ブロック８８からの一次温度相関信号８９に加えられる接合部８４まで延長された、圧力に基づく温度補正又は補償の係数である。

配線９０上の温度設定点Ｔ_SPは、ＣＳＲ１３２の測定された頂上筒部温度Ｔと比較するため、第２のアウターループ１５０’”内において、制御装置６６への入力として受入される。比較された信号は、その後、配線９１上で結果として生じる信号が、圧力と温度に基づく補正の係数を示すよう、制御装置６６内において条件付けられる。これは、例えば、誤差信号を決定すること、Ｐ／Ｉ制御アルゴリズムにより誤差信号に条件付けをすること、可能であれば選択されたフィードフォワード信号により加算すること、及び／又は、異常応答を排除するために意図された「信頼」ゾーンを設定するために、結果として生じる信号に制限を加えることを含め、様々な方法によって実行されよう。

燃料電池の負荷電流Ｉは、また、配線９２上をスケジュール関数１７０まで延長されている。このスケジュール関数１７０は、図４におけるスケジュール関数７０と類似しており、結果としての配線１７２上の信号が負荷追従動作のための一次設定点となるよう、通常の安定状態の条件下で負荷電流Ｉを時間当たりのポンドによる所望の燃料流量と相関付ける。この配線１７２上の信号は、乗算又は加算を行なう論理回路１７７を介して、配線９１上の圧力及び温度に基づく補正又は補償の係数によって変更され、そして、配線９４上で、所望の燃料流量に対する設定点を表す。

インナーループ１５０’を参照すると、論理回路１７７からの圧力及び温度補償された燃料流量設定値信号は、配線９４上で制御装置１６４まで延長しており、そして、それに対して測定燃料流量信号ＦＦＬが比較される設定点を出力している。これらの信号は、その後、制御装置１６４内において条件付けられ、そして、結果として生じる信号が、流量制御指令信号ＦＣとして使用される信号値として、配線１８０上に現れる。これは、例えば、誤差信号を決定すること、Ｐ／Ｉ制御アルゴリズムにより誤差信号に条件付けをすること、可能であれば選択されたフィードフォワード信号により加算すること、及び／又は、異常応答を排除するために意図された「信頼」ゾーンを設定するために、結果として生じる信号に制限を加えることを含めて、様々な方法によって実行されよう。図４の実施例のように、ＦＣ指令信号は、流量制御装置４８を制御するために必要な適切な領域又は形式で出力されるであろう。

例えば、配管４６を通る燃料の流量、改質器３２から排出される改質物の温度、ＣＳＡ１２のアノード２２から排出される一部減損した水素の温度、燃焼器３６へ供給される空気の流量、蒸気発生器４０の２次側４０”における蒸気の圧力と温度、配管４４を通して供給される蒸気の流量等、燃料電池発電装置１０の様々な動作パラメータは、一般的には、記載された構成にとって一般的で良く知られた領域内のものであることが理解されよう。

本発明の制御装置が使用され、自熱式改質器（ＡＴＲ）を有する燃料処理装置を組み込んだ、代表的な燃料電池発電装置の関連部分のブロック図。上記図１を省略したものであり、ＡＴＲの代わりに触媒式蒸気改質器（ＣＳＲ）を利用した場合を描いた図。破線によって描かれた任意の拡張された実施例を含んで、本発明の基本的な制御装置を単純化して描いた図。本発明になる、特に、図１のようなＡＴＲ燃料処理装置を備えた発電装置に使用するのに適している制御装置のブロック図。本発明になる、特に、図２のようなＣＳＲ燃料処理装置を備えた発電装置に使用するのに適している制御装置の他の実施例のブロック図。

Claims

高濃度水素燃料の流れ（２８）を受入して反応させ、そして、前記高濃度水素燃料の一部を流出物（３０）として排出するアノード（２２）を有し、電気負荷（１８）に要求される電力を供給するための低温燃料電池積層組立体（１２）と、炭化水素燃料供給材の源（４６）と、前記アノードのために前記炭化水素燃料供給材を前記高濃度水素燃料の流れに変換する燃料処理システム（１４）と、前記高濃度水素燃料の流れを供給する前記炭化水素燃料供給材の変換を促進するための、前記燃料処理システム（１４）に対する蒸気の供給部（４０、４４）とを備え、前記蒸気は、前記アノードからの前記高濃度水素燃料の流出物の燃焼（３６）からの熱によって少なくとも一部が供給されるエンタルピーを有している燃料電池発電装置（１０）において、前記燃料処理システム（１４）に対する前記蒸気の供給部（４０、４４）に関して前記電気負荷（１８）に要求される電力量に均衡した蒸気供給量を維持するための方法であって：
前記燃料処理システム（１４）のための前記蒸気（４０、４４）の前記エンタルピーを示す少なくとも１つのパラメータ（圧力、温度）を検出し；
前記電池積層組立体（１２）に対する電力要求量を示すパラメータ（電流）を検出し；そして、
前記燃料処理システム（１４）への炭化水素燃料供給材（４６）の流量を、少なくとも前記蒸気の前記エンタルピーと前記電力要求量との関数として制御し（４８、５０）、もって、前記蒸気の前記エンタルピーが、前記蒸気の前記エンタルピーを示す少なくとも１つのパラメータ（圧力、温度）の制限内において、電力要求量の増加及び減少に適合して制御されるようにすることを含むことを特徴とする方法。
前記請求項１の方法において、
前記蒸気（４０、４４）の少なくとも前記圧力が、前記蒸気の前記エンタルピーを示す信号（Ｐ）を出力するために検出され；
前記負荷電流が、実際の電力要求量を示す信号（Ｉ）を出力するために検出され；そして、
前記炭化水素燃料供給材の流量を制御する（４８、５０）ステップは：
一次燃料流量設定点信号（７２、１７２）を出力するために一次燃料流量設定点信号（７２、１７２）を前記電力要求信号（Ｉ）と関連付け（７０、１７０）；
補正燃料流量設定点信号（７８、９４）を出力するために、前記一次燃料流量設定点信号（７２、１７２）を、少なくとも前記蒸気の前記エンタルピーを示す信号（Ｐ）の関数（６２、１６２、６６、８８、８４）として変更し（７７、１７７）；そして、
前記補正燃料流量設定点信号（７８、９４）を使用して、前記燃料処理システム（１４）への前記炭化水素燃料供給材（４６）の流量を制御する（４８）ための燃料流量指令信号（ＦＣ）を出力する（ＦＦＬ、６４、１６４）ことを含むことを特徴とする方法。
前記請求項２の方法において、前記炭化水素燃料供給材（４６）の流量を制御する（４８）ための燃料流量指令信号（ＦＣ）を出力するステップは、更に、
前記炭化水素燃料供給材の実際の流量を測定し、前記炭化水素燃料供給材の実際の流量を示すフィードバック信号（ＦＦＬ）を出力し（５８）；
前記燃料流量フィードバック信号（ＦＦＬ）を前記補正燃料流量設定点信号（７８、９４）と比較し（６４、１６４）、それらの間の振幅の偏差を指示し；そして、
前記偏差指示の関数として前記燃料流量指令信号（ＦＣ）を出力する（６４、１６４）ステップを備えていることを特徴とする方法。
前記請求項２の方法において、前記燃料処理システム（１４）は触媒式蒸気改質器（１３２）を含んでおり、かつ、
前記触媒式蒸気改質器における温度を検出して、その内部の反応温度を示す信号（Ｔ）を出力し；そして、
前記触媒式蒸気改質器反応温度を示す前記信号（Ｔ）の関数（６６）として出力された温度基準補正信号（９１）によって、前記一次燃料流量設定点信号（１７２）を更に変更して（１７７）、前記補正燃料流量設定点信号（９４）を出力する
ステップを含んでいることを特徴とする方法。
前記請求項３の方法において、前記燃料処理システム（１４）は触媒式蒸気改質器（１３２）を含んでおり、かつ、
前記触媒式蒸気改質器における温度を検出して、その内部の反応温度を示す信号（Ｔ）を出力し；そして、
前記触媒式蒸気改質器反応温度を示す前記信号（Ｔ）の関数（６６）として出力された温度基準補正信号（９１）によって、前記一次燃料流量設定点信号（１７２）を更に変更して（１７７）、前記補正燃料流量設定点信号（９４）を出力する
ステップを含んでいることを特徴とする方法。
前記請求項４の方法において、前記一次燃料流量設定点信号（１７２）を更に変更する（１７７）ステップは、一次温度相関信号（８９）を出力するために一次温度相関信号（８９）を前記電力要求信号（Ｉ）と関連付け（８８）、前記一次温度相関信号（８９）を前記蒸気のエンタルピーを表わす信号（Ｐ）の関数（１６２）として出力された圧力基準補正信号（１７５）により調整して（８４）、補正温度設定点信号（９０）を出力し、そして、触媒式蒸気改質器反応温度を示す信号（Ｔ）を前記補正温度設定点信号（９０）と比較して（６６）、前記温度基準補正信号（９１）を出力するステップを含んでいることを特徴とする方法。
前記請求項５の方法において、前記一次燃料流量設定点信号（１７２）を更に変更する（１７７）ステップは、一次温度相関信号（８９）を出力するために一次温度相関信号（８９）を前記電力要求信号（Ｉ）と関連付け（８８）、前記一次温度相関信号（８９）を前記蒸気のエンタルピーを表わす信号（Ｐ）の関数（１６２）として出力された圧力基準補正信号（１７５）により調整して（８４）、補正温度設定点信号（９０）を出力し、そして、触媒式蒸気改質器反応温度を示す信号（Ｔ）を前記補正温度設定点信号（９０）と比較して（６６）、前記温度基準補正信号（９１）を出力するステップを含んでいることを特徴とする方法。
高濃度水素燃料の流れ（２８）を受入して反応させ、そして、前記高濃度水素燃料の一部を流出物（３０）として排出するアノード（２２）を有し、電気負荷（１８）に要求される電力を供給するための低温燃料電池積層組立体（１２）と、炭化水素燃料供給材の源（４６）と、前記アノードのために前記炭化水素燃料供給材を前記高濃度水素燃料の流れに変換する燃料処理システム（１４）と、前記高濃度水素燃料の流れを供給する前記炭化水素燃料供給材の変換を促進するための、前記燃料処理システム（１４）に対する蒸気の供給部（４０、４４）とを備え、前記蒸気は、前記アノードからの前記高濃度水素燃料の流出物の燃焼（３６）からの熱によって少なくとも一部が供給されるエンタルピーを有している燃料電池発電装置（１０）において、前記燃料処理システム（１４）に対する前記蒸気の供給部（４０、４４）に関して前記電気負荷（１８）に要求される電力量に均衡した蒸気供給量を維持するための制御装置（４８、５０、１５０）は：
前記燃料処理システム（１４）のための前記蒸気（４０、４４）の前記エンタルピーを示す少なくとも１つのパラメータ（圧力、温度）を検出し、それに比例した信号を出力する手段と；
前記電池積層組立体（１２）に対する電力要求量を示すパラメータ（電流）を検出し、それに比例した信号（Ｉ）を出力する手段と；
燃料流量指令信号（ＦＣ）に応答して前記炭化水素燃料供給材の流量を制御する手段（４８）と；そして、
前記蒸気のエンタルピーを示す信号及び電池積層組立体（１２）に対する電力要求量を示す前記信号（Ｉ）に応答し、前記蒸気のエンタルピーが、前記蒸気の前記エンタルピーを示す少なくとも１つのパラメータ（圧力、温度）の制限内において、電力要求量の増加及び減少に適合して制御されるように前記燃料流量指令信号（ＦＣ）を出力する制御手段（５０、１５０）と
を備えたことを特徴とする制御装置。
前記請求項８の制御装置（４８、５０、１５０）において、
前記燃料処理システム（１４）のために前記蒸気（４０、４４）の前記エンタルピーを示す少なくとも１つのパラメータ（圧力、温度）を検出する手段は、少なくとも前記蒸気圧を検出し、そして、それに比例した信号（Ｐ）を出力し；
前記電池積層組立体（１２）に対する電力要求量を示すパラメータ（電流）を検出する手段は、負荷電流を検出し、それに比例した信号（Ｉ）を出力し；そして、
前記制御手段（５０、１５０）は、前記電力要求信号（Ｉ）に応答して一次燃料流量設定点信号（７２、１７２）を出力する関連付け手段（７０、１７０）と、少なくとも前記蒸気圧を示す信号（Ｐ）に応答し、少なくとも前記蒸気の前記エンタルピーを示す信号（Ｐ）の関数（６２、１６２、６６、８８、８４）として前記一次燃料流量設定点信号（７２、１７２）を変更することにより前記一次燃料流量設定点信号（７２、１７２）を補正して補正燃料流量設定点信号（７８、９４）を出力する補正手段（７７、１７７）とを備えていることを特徴とする制御装置。
前記請求項９の制御装置（４８、５０、１５０）は、前記炭化水素燃料供給材の実際の流量を測定し、前記炭化水素燃料供給材の実際の流量を示すフィードバック信号（ＦＦＬ）を出力する燃料供給材流量測定手段（ＦＦＬ、１５８）を含んでおり、前記制御手段（５０、１５０）は、更に、前記燃料流量フィードバック信号（ＦＦＬ）を前記補正燃料流量設定点信号（７８、９４）と比較し、それらの間の振幅の偏差を指示し、前記偏差指示の関数として前記燃料流量指令信号（ＦＣ）を出力する手段（６４、１６４）を含んでいることを特徴とする制御装置。
前記請求項１０の制御装置（４８、５０、１５０）において、前記燃料電池発電装置（１０）の前記燃料処理システム（１４）は触媒式蒸気改質器（１３２）を含んでおり、前記制御装置（４８、５０、１５０）は、前記触媒式蒸気改質器（１３２）における温度を検出して、その内部の反応温度を示す信号（Ｔ）を出力する手段を更に備えており、前記補正手段（７７、１７７）は、前記触媒式蒸気改質器反応温度を示す前記信号（Ｔ）の関数（６６）として出力された温度基準補正信号（９１）によって、前記一次燃料流量設定点信号（１７２）を更に変更して、前記補正燃料流量設定点信号（９４）を出力することを特徴とする制御装置。