JP2004079537A - 燃料電池装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池ブロックの再構成を可能にして、複数の電圧を負荷装置に同時に供給することを可能にすること。
【解決手段】燃料電池装置(600)は、制御モジュール(606)により少なくとも２つの構成で電気的に再構成可能な燃料電池ブロック(402)を含む。
【選択図】図５Ａ
【解決手段】燃料電池装置(600)は、制御モジュール(606)により少なくとも２つの構成で電気的に再構成可能な燃料電池ブロック(402)を含む。
【選択図】図５Ａ
Description
本発明は、燃料電池に関する。
過去１００年間で、エネルギーに対する需要が指数関数的に増大してきた。エネルギーに対する需要が増大することに伴い、多くの異なるエネルギー源が探求され開発されてきた。主なエネルギー源の１つは、炭化水素の燃焼であり、それは今も続いている。しかしながら、炭化水素の燃焼は、通常、不完全燃焼であり、様々な量のスモッグおよび他の汚染物質の一因となる不燃物を放出する。
炭化水素の燃焼によって汚染物質が生成される結果、近年、より清浄かつ効率的なエネルギー源に対する要求が増大してきた。より清浄なエネルギー源に対する関心が高まるに従い、燃料電池がより一般化し、より高性能になってきた。燃料電池に対する研究および開発は、燃料電池が都市のために大量の電気を発生させるガスタービンと、自動車に動力を供給する内燃機関と、種々の小型および大型の電子機器を動作させるバッテリとに、まもなく匹敵するようになると多くの人が推測する程度まで続けられてきた。しかしながら、現在の燃料電池技術では満たすことのできない様々な電源調整の要求を有する多くのアプリケーションがある。
燃料電池は、燃料および酸化剤の電気および熱への電気化学エネルギー変換を行う。燃料電池はバッテリに類似するが、電力を供給する間に「再充電」され得る。
燃料電池は、モータ、光源、または任意の数の電気器具に電力を供給するために使用され得るＤＣ（直流）電圧を供給する。各々が異なる化学的性質を使用するいくつかの異なるタイプの燃料電池がある。燃料電池は、通常、使用される電解質のタイプによって分類される。燃料電池は、概して、５つのグループ、すなわちプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池（高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ））、アルカリ水溶液形燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、および溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）のうちの１つに類別される。
概して、燃料電池は、以下の基本要素、すなわち、負極（燃料極）と、正極（空気極）と、電解質と、負極と電解質との間および正極と電解質との間の界面に配置された１つまたは複数の触媒とを含む。成分組成は、上述した種々の燃料電池の各々において変化する可能性がある。
近年、燃料電池の開発は急速であったが、依然としていくつかの欠点がある。現行の燃料電池の問題点の１つは、融通性がないことである。通常の燃料電池構成は、比較的限られたパラメータ内で電力を生成することしかできず、大幅な電力調整を行うことができない。しかしながら、多くの最新の電子装置は、大幅に異なる可能性のある複数の電圧および電流を必要とする。このため、通常の燃料電池は、今日の最新の電子装置の多くに電力を供給することができない。
多くの実現可能な実施形態のうちの１つにおいて、本発明は、制御モジュールにより少なくとも２つの構成で電気的に再構成可能な燃料電池ブロックを含む燃料電池装置を提供する。
本発明の上述したおよび他の特徴および態様は、以下の詳細な説明を読むことにより、および図面を参照することによりさらに明らかとなろう。
本発明により、燃料電池は、効率を最大限にするように電気的に再構成されることが可能になる。この再構成は、定期的にまたは連続的に行うことができる。さらに、本発明による電気的再構成を可能にする燃料電池電源構造は、電気器具に同時に供給されるべき複数の電圧および電流を供給することも可能にする。
図面において、同一の参照番号は、同様であるが必ずしも同一ではない要素を示す。本発明に対して種々の修正形態および代替形態が可能であるが、その特定の実施形態を、図面に一例として示し、本明細書において詳細に説明する。しかしながら、特定の実施形態の本明細書における説明は、開示された特定の形態に本発明を限定するように意図されたものではなく、逆に、本発明は、特許請求の範囲によって規定されるような発明の思想および範囲内にあるすべての修正形態、等価物、および代替形態を包含することであるということが理解されるべきである。
本発明の例示的な実施形態を以下に説明する。当業者には理解されるように、本発明は、多種多様な燃料電池のアプリケーションにおいて実施され得る。燃料電池のアプリケーションは、限定されないが、ＰＥＭ燃料電池、ＡＦＣ、ＰＡＦＣ、ＳＯＦＣ、およびＭＣＦＣが含まれる。
ここで、図面、特に図１を参照すると、本発明の一実施形態による単一セルの燃料電池装置（１００）の図が示される。燃料電池装置（１００）は、上述した燃料電池タイプのいずれであってもよく、負極（１０２）と正極（１０４）とを含む。一般的な燃料電池動作電圧は、約１．０〜１．２Ｖの開回路電圧から完全短絡電圧までの範囲である。開回路電圧でさえ比較的低いため、図２に示すように、燃料電池を複数のスタックまたはブロックに構成することが一般的である。「スタック」または「ブロック」（２００）は、出力電圧を上昇させるためにともに接続された１つまたは複数の個々の燃料電池を含むことができる。図２の実施形態によれば、燃料電池装置（２００）は、電気的負荷に対して利用可能な電圧を上昇させるために６つの電池の直列結合で示される。しかしながら、燃料電池装置（２００）は本質的に例示的なものであり、燃料電池スタックのセルの数は、図１に示された単一セル構成から何百以上ものセルを有する構成まで、任意の数であってよい。
大抵の燃料電池の開回路電圧は、１．０〜１．２Ｖであるが、最大電力出力は、しばしば０．５（＋／−０．２）Ｖ範囲で実現される。図３に示されたもの等の分極プロット（３００）は、図２の燃料電池装置（２００）を含む通常の多くの燃料電池である。分極プロット（３００）は、電圧と電流との関係のグラフ（３０２）を示す。また、同じプロット（３００）に、燃料電池電力出力曲線（３０４）も示される。この曲線（３０４）は、検討中の例示的な燃料電池の最大電力出力が、約０．７Ｖの電圧で約１０００ｍＷであることを示す。
電力出力は、分極プロット（３００）の中心（３０６）近くで、大抵の燃料電池に対して最大化され得るが、燃料電池は、通常、プロット（３００）の近端（３０８）においてより効率的に動作する。すなわち、燃料電池は、特定の燃料電池の最大理論電圧の近くより、より高い電圧およびより低い電流で動作している場合に、種々の化学反応から電気をより効率的に発生できる。燃料電池の効率は、供給される電流が増大するにしたがって急速に低下する。したがって、燃料電池システムの効率を最大限にするために、燃料電池電力出力と効率との間の慎重なトレードオフを行わなければならない。従来の燃料電池の使用法によると、燃料電池に対する予期される負荷要件に従って、トレードオフ判断は一度しか行われない。したがって、燃料電池は、負荷の要求が変化すると、非常に非効率な割合で動作する可能性が極めて高い。しかしながら、本発明によれば、燃料電池は、有利に、効率を最大限にするように電気的に再構成され得る。この再構成を、定期的にまたは連続的に行うことができる。さらに、本発明による電気的再構成を可能にする燃料電池電源構造は、有利には、電気器具に同時に供給されるべき複数の電圧および電流を供給する。
次に図４を参照すると、本発明の一実施形態による燃料電池スタックの再構成を容易にする燃料電池電源システム（６００）が示される。燃料電池電源システム（６００）は、複数の電気的構成で再構成可能な燃料電池電源（６０２）を含むことができる。燃料電池電源（６０２）は、電圧変換器、たとえばＤＣ−ＤＣコンバータ（６０４）に接続される。燃料電池電源（６０２）は、本質的に代表例であり、燃料電池電源の内部構成の詳細は、図５Ａ〜図６を参照して後述する。いくつかの実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ（６０４）は、負荷（６０８）に対してＡＣ電流を供給するためのＤＣ−ＡＣインバータに置き換えられ得る。
また、燃料電池電源システム（６００）は、負荷（６０８）に電気的に接続された二次電池（６１０）等のバックアップ電源も含むことができる。二次電池（６１０）は、好ましくは再充電可能バッテリである。二次電池（６１０）は、短期負荷「ピークレベリング」、システム起動電力、スタンバイまたはシステム「スリープ」電力、または他の電力の不足を提供するために含まれ得る。代案として、二次電池（６１０）は、スーパキャパシタと組み合せて使用されることができ、またはそれに置き換えられ得る。二次電池（６１０）および／またはスーパキャパシタの容量は、限定されないが、予期された負荷特性、システム重量および体積、コンポーネントのコストおよび複雑性、燃料電池起動期間および寄生負荷（たとえば、電気的制御、スイッチ、および装置等）、およびシステムの効率を含む、いくつかの要素を考察することを必要とする場合がある。この開示の利益を有する当業者は、アプリケーションの特定の要件に基づいて係るバックアップ電源のサイズを容易に決めることができるであろう。
燃料電池電源（６０２）と、ＤＣ−ＤＣコンバータ（６０４）と、（含まれる場合は）二次電池（６１０）とは、制御モジュール（６０６）と電気的に連通することができる。制御モジュール（６０６）は、制御ロジック回路と、信号調整回路と、スイッチ制御回路と、燃料電池電源（６０２）の最適な設定への再構成を容易にし、再充電可能な二次電池（６１０）を利用または再充電するための他の機能とを含むことができる。制御モジュール（６００）は、この開示の利益を有する当業者に対して種々のソースから見つけられ得る。たとえば、Motorola 68HCxxシリーズのマイクロコントローラを使用することができる。
制御モジュール（６０６）の制御ロジックは、様々なソースからの入力を受け入れ、受け取った入力と利用可能な考えられる燃料電池電源（６０２）構成とに基づいて最適な燃料電池スタック構成を計算するように、プログラムされ得る。入力には、限定されないが、負荷（６０８）特性と、燃料電池の性能（燃料電池の効率、燃料利用状況、温度、反応物および／または生成物の組成および流量、正味の電力出力、燃料電池が分極曲線上のどこで動作しているか等が含まれる）と、バッテリ（６１０）の充電の状態と、負荷（６０８）からのアクティブフィードバックと、他の入力データとが含まれる。
燃料電池電源（６０２）は好適には、システム（６００）の残りの部分に接続された燃料電池および燃料電池スタックの異なる構成を形成するように開閉され得るスイッチによって相互接続された、多数の燃料電池または燃料電池スタックを含む。燃料電池電源（６０２）の１つまたは複数の燃料電池、あるいは燃料電池スタックを、負荷要件を満足させてピーク性能で動作させるために、ＤＣ−ＤＣコンバータ（６０４）に、または互いに、選択的におよび／または漸進的に接続することにより、燃料電池電源（６０２）を再構成するように、制御モジュールをプログラムすることができる。燃料電池または燃料電池スタックの接続は、制御モジュール（６０６）によって行われる計算に従って、直列、並列、または直列と並列の組合せで行われ得る。制御モジュール（６０６）は、様々な入力を受け取り、負荷要件を満たすように最適な燃料電池スタック構成を計算すると、燃料電池電源（６０２）の再構成とシステム（６００）の残りの部分に対する燃料電池電源（６０２）の結果としての出力とをもたらすように、燃料電池電源（６０２）の種々のスイッチを開放または閉鎖することができる。さらに、制御モジュール（６０６）は、システム（６００）に対して寿命と信頼性を追加するために、燃料電池電源（６０２）の個々のスタックの間で、使用を定期的に、連続的に、または別の方法で交替させることができる。燃料電池電源（６０２）の個々のスタック間での定期的なローテーションは、負極および正極を適当な状態にすることによってスタックに利益をもたらすことができる。炭化水素燃料を使用する燃料電池では、コーキングが、負極において開回路電位で発生することが一般的である。したがって、有利には、個々のスタックの使用を循環させることにより、スタックに定期的な負荷を提供して負極のコーキングが防止される。制御モジュール（６０６）は、いかなる人間の介入もなしにすべての監視と再構成の機能を自動的に実行するようにプログラムされ得る。さらに、制御モジュール（６０６）は、損傷する可能性のある任意の個々のセルまたはスタックをバイパスさせるように、動的にすることができる。
制御モジュール（６０６）による燃料電池電源（６０２）の有利な再構成は、燃料電池電源（６０２）の構造によって容易にされ得る。次に図５Ａを参照すると、本発明の一実施形態による再構成可能な燃料電池電源（４００）が示される。燃料電池電源（４００）は、燃料電池電源（６０２、図４）が取ることができる構造的構成の一例である。燃料電池電源（４００）は、複数の燃料電池のブロックまたはスタック（４０２）を含む。本実施形態では、各々６つのセルからなる４つのブロック（４０２／４０４／４０６／４０８）の直列結合、すなわち２４個の個々のセルが示される。しかしながら、４つのブロック（４０２／４０４／４０６／４０８）の直列結合は、本質的に例示的なものであり、図示された結合に対して任意の数の他の結合も代用可能である。さらに、各個々のブロック（４０２）の実際のセル数は、必ずしも６（本実施形態のように）ではなく、各ブロックのセルの数も、必ずしも等しくはない。
図５Ａの実施形態によれば、燃料電池電源（４００）は、燃料電池ブロック（４０２／４０４／４０６／４０８）の各々の間に少なくとも１つのタップ（４１２／４１４／４１６）と、最初の燃料電池ブロック（４０２）と最後の燃料電池ブロック（４０８）とから延在する少なくとも１つのタップ（４１０／４１８）とを含むことができる。タップ（４１２／４１４／４１６）は、任意の導電要素を含むことができる。タップ（４１０／４１２／４１４／４１６／４１８）の各々を、少なくとも１つのスイッチ（それぞれ、４２０／４２２／４２４／４２６／４２８）に電気的に結合することにより、燃料電池スタック（４０２／４０４／４０６／４０８）のうちの１つまたは複数を、互いに対しておよび／または電圧コンバータ（上記図４に関して示したＤＣ−ＤＣコンバータ（６０４）等）に対して選択的に接続または切断することができる。たとえば、負荷要件に基づき、時には、燃料電池ブロックのうちの１つ（４０６）を、スイッチのうちの１つまたは複数、たとえば、第３の燃料電池ブロック（４０６）と第２の燃料電池ブロック（４０４）との間、および第３の燃料電池ブロック（４０６）と第４の燃料電池ブロック（４０８）との間に結合されたスイッチ（４２４および４２６）を切り換えることにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ（６０４、図４）から電気的に切断し、第３の燃料電池ブロック（４０６）のバイパスをもたらすことができる。スイッチ（４２０／４２２／４２４／４２６／４２８）は、固体素子またはリレーとすることができる。
本発明の一実施形態による１つまたは複数のスイッチ（４２０／４２２／４２４／４２６／４２８）の詳細を、図５Ｂおよび図５Ｃに示す。たとえば、スイッチ４２２は、燃料電池ブロックの異なる構成を容易にするために、３つのスイッチ（ＳＷ１／ＳＷ２／ＳＷ３）の組合せを含むことができる。３つのスイッチ（ＳＷ１／ＳＷ２／ＳＷ３）の各々は、図５Ｃに概略的な形式で示される細部を含むことができる。
タップ（４１０／４１２／４１４／４１６／４１８）は、図５Ａに示されたものに加えて相互接続を含むことができる。また、タップ（４１０／４１２／４１４／４１６／４１８）は、図５Ａの例示的な実施形態に示されたものより少ない接続を含むこともできる。燃料電池電源（４００）の再構成により予期された負荷パラメータを最もよく満足させることができるように、負荷パラメータがいくらかであるかを判定し、図示されたものの代りにタップおよび他の相互接続およびスイッチを提供することは、この開示の利益を有する当業者の理解範囲内にある。
したがって、燃料電池ブロック（４０２／４０４／４０６／４０８）に１つまたは複数のタップ（４１０／４１２／４１４／４１６／４１８）を提供することにより、燃料電池電源（４００）は、異なる負荷要件に対して調整して各個々の燃料電池ブロックの効率的な動作を容易にする任意の数の態様で制御モジュール（６０６、図４）により再構成され得る。図５Ａに示されるように、最初の燃料電池ブロック（４０２）と最後の燃料電池ブロック（４０８）の内側の燃料電池ブロック（４０４／４０６）のタップ（４１２／４１４／４１６）は、燃料電池電源（４００）の再構成をさらに容易にするために、少なくとも第２のスイッチ（それぞれ、４３０／４３２／４３４）を含むことができる。第２のスイッチ（４３０／４３２／４３４）により、たとえば、燃料電池電源（４００）が、いくつかのスイッチ（要素４２２、４２４、４２６、４３０、４３２、および４３４によって示されるスイッチ等）を切り換えることにより、複数の燃料電池ブロック（４０４および４０６）をバイパスまたは切断するように電気的に再構成することを可能にする。
燃料電池電源（４００）を電気的に再構成することにより、第２の燃料電池ブロック（４０４）等の燃料電池ブロックを、燃料電池電源（４００）からバイパスするかまたはＤＣ−ＤＣコンバータ（６０４、図４）から切断する場合、実施形態によっては、個々のセルかまたはブロック（４０４）全体に通常供給される化学反応物を中断し、バイパスまたは切断された燃料電池ブロック（４０４）を「スリープ」モードまたはスタンバイモードにすることができる。したがって、制御モジュール（６０６）は、バルブまたは他の制御装置に対して個々の燃料電池かまたは燃料電池ブロック（４０４）全体への反応物の供給を遮断させるための、回路、ロジック、および制御機能を含むことができる。代案として、実施形態によっては、燃料電池ブロック（４０４）がバイパスまたは切断された場合に、化学反応物の供給を変化させなくてもよい。多くの燃料電池タイプでは、燃料電池は、開回路状態にある場合、化学反応を停止するかまたは大幅に低減し、それにより電気的切断時に自動的にバイパスまたは切断された燃料電池ブロック（４０４）における「スリープ」モードまたはスタンバイモードを容易にすることができる。
次に図６を参照すると、本発明の別の実施形態による別の再構成可能な燃料電池電源（５００）が示される。燃料電池電源（５００）は、燃料電池電源（６０２、図４）が取ることができる構造的構成の別の例である。燃料電池電源（５００）は、複数の燃料電池ブロックまたはスタック（５０２）を含み、本実施形態では、各々６つのセルからなる４つのブロック（５４０／５４２／５４４／５４６）の第２の直列結合と並列に構成可能な、各々６つのセルからなる４つのブロック（５０２／５０４／５０６／５０８）の直列結合を含む。しかしながら、８つのブロック（５０２／５０４／５０６／５０８および５４０／５４２／５４４／５４６）の直列／並列結合は、本質的に例示的なものであり、図示された結合に対して任意の数の他の直列／並列結合を代用することができる。さらに、各個々のブロック（５０２）の実際のセル数は、必ずしも６（本実施形態におけるように）ではなく、各ブロックのセル数も必ずしも等しくはない。ブロック（５０２等）のセル数は、予期されるシステム負荷特性と、正味燃料電池電力出力の変化の所望の粒度とに基づいて選択され得る。
図６の実施形態によれば、燃料電池電源（５００）は、燃料電池ブロック（５０２／５０４／５０６／５０８）の第１のセットの各々の間の少なくとも１つのタップ（５１２／５１４／５１６）と、第１のセットの最初の燃料電池ブロック（５０２）と最後の燃料電池ブロック（５０８）とから延在する少なくとも１つのタップ（５１０／５１８）とを含むことができる。同様に、燃料電池電源（５００）は、燃料電池ブロック（５４０／５４２／５４４／５４６）の第２のセットの各々の間の少なくとも１つのタップ（５５０／５５２／５５４）と、第２のセットの最初の燃料電池ブロック（５４０）と最後の燃料電池ブロック（５４６）とから延在する少なくとも１つのタップ（５４８／５５６）とを含むことができる。タップ（５１０／５１２／５１４／５１６／５１８／５４８／５５０／５５２／５５４／５５６）の各々を、少なくとも１つのスイッチ（それぞれ、５２０／５２２／５２４／５２６／５２８／５５８／５６０／５６２／５６４／５６６）に電気的に結合して、燃料電池ブロックのうちの１つまたは複数（５０２等）を、互いに／互いから、またはＤＣ−ＤＣコンバータ（６０４、図４）に／ＤＣ−ＤＣコンバータ（６０４、図４）から選択的に接続または切断することができる。たとえば、時には、負荷要件に基づいて、１つまたは複数のスイッチ、たとえば第３の燃料電池ブロック（５４４）と第２の燃料電池ブロック（５４２）との間、および第３の燃料電池ブロック（５４４）と第４の燃料電池ブロック（５４６）との間に結合されたスイッチ（５６２および５６４）を切り換えることにより、燃料電池ブロックのうちの１つ（５４４）を燃料電池電源（５００）から電気的に切断し、第３の燃料電池ブロック（５４４）を切断することができる。本発明による１つまたは複数のスイッチ（５２０等）は、上記図５Ｂおよび図５Ｃに関して図示され説明されたように構成され得る。タップ（５１０等）は、異なる電気的負荷要件を提供するための任意の数の態様で、燃料電池ブロック（５０２等）の再構成を容易にするために、多くの相互接続を含むことができる。負荷パラメータがいくらかであるかを判定し、燃料電池電源（５００）の再構成により負荷パラメータを最もよく満足させることができるように、図示されたものの代りにタップおよび他の相互接続およびスイッチを提供することは、この開示の利益を有する当業者の理解範囲内にある。
したがって、燃料電池ブロック（５０２等）に１つまたは複数のタップ（５１０等）を提供することにより、燃料電池電源（５００）は、異なる負荷要件に対して調整して各個々の燃料電池ブロックの効率的な動作を容易にするための任意の数の態様で再構成され得る。図６に示されるように、最初の燃料電池ブロック（５０２）と最後の燃料電池ブロック（５０８）との内側の燃料電池ブロック（５０４／５０６）の第１の直列セットのタップ（５１２／５１４／５１６）は、燃料電池電源（５００）の再構成をさらに容易にするために少なくとも第２のスイッチ（それぞれ、５３０／５３２／５３４）を含むことができる。同様に、最初の燃料電池ブロック（５４０）と最後の燃料電池ブロック（５４６）との内側の燃料電池ブロック（５４２／５４４）の第２の直列セットのタップ（５５０／５５２／５５４）は、燃料電池電源（５００）の再構成をさらに容易にするために少なくとも第２のスイッチ（それぞれ、５６８／５７０／５７２）を含むことができる。第２のスイッチ（５３０／５３２／５３４／５６８／５７０／５７２）により、たとえば、燃料電池電源（５００）を、１つまたは複数のスイッチを切り換えることにより種々の直列／並列結合で複数の燃料電池ブロックを接続および／またはバイパスするように電気的に再構成することができる。上述したように、受け取った入力、利用可能な再構成を評価し、その後ブロックの最適な再構成を行えるようにすることができる制御モジュール（６０６、図４）によって、スイッチは制御され得る。
燃料電池電源（５００）を電気的に再構成することにより、第２の燃料電池ブロック（５０４）等の燃料電池ブロックをバイパスまたは切断する場合、実施形態によっては、個々のセルまたはブロック（５０４）全体に通常供給される化学反応物を中断して、バイパスまたは切断された燃料電池ブロック（５０４）を「スリープ」モードまたはスタンバイモードにすることができる。個々の燃料電池ブロック（５０２等）に対する化学物質の供給を選択的に遮断することが望ましい実施形態では、制御モジュール（６０６、図４）によって制御可能な独立した化学物質供給および排出ラインを備えた燃料電池ブロック（５０２等）の各々に配管する必要があるかもしれない。代案として、実施形態によっては、化学反応物の供給は、燃料電池ブロック（５０４）がバイパスまたは切断される場合に変化させなくてもよい。多くの燃料電池タイプでは、燃料電池は、開回路状態にある場合、化学反応を停止させるかまたは大幅に低減し、それによってバイパスされるかまたは切断される燃料電池ブロック（５０４）においてそれがバイパスまたは切断される時の自動的な「スリープ」モードまたはスタンバイモードを容易にすることができる。
再構成可能な燃料電池電源（５００）は、最も頻繁に運転状態になると考えられる個々の燃料電池ブロック（５０４／５０６／５４２／５４４）を電源（５００）の中心に置くことにより、外側の燃料電池ブロック（５０２／５０８／５４０／５４６）が動作中でない場合にそれらに熱を提供するように構成され得る。最も使用される燃料電池ブロックを中心に配置することは、必要な場合に任意の「スリープ中」燃料電池スタックも迅速に機能することができるように加熱する目的のために重要である。
次に図７を参照すると、本発明の別の実施形態による燃料電池電力システム（７００）が示される。図７の実施形態によれば、燃料電池電力システム（７００）は、各々がスイッチ回路網（７０２）に電気的に接続された複数の燃料電池ブロック（４０２／４０４／４０６／４０８）を含むことができる。スイッチ回路網に電気的に接続される燃料電池ブロックの数はそれより多くても少なくてもよく、図示された実施形態が本質的に例示的なものである、ということが理解されよう。スイッチ回路網（７０２）は、燃料電池ブロック（４０２／４０４／４０６／４０８）の再構成を可能にするための任意の数のスイッチおよび接続を含むことができ、それらの例は後述する。
図８を参照すると、本発明によるスイッチ回路網の一実施形態が示される。図８の実施形態によれば、任意の数の構成で燃料電池ブロック（４０２／４０４／４０６／４０８）を相互接続するために複数のノード（４０１）が存在できる。ノード（４０１）の各々は、燃料電池ブロック（４０２／４０４／４０６／４０８）を電気的に再構成するために選択的に開閉することができるスイッチ（図５Ｂおよび図５Ｃ）を含むことができる、実現可能な電気的接続点を表す。たとえば、要望に応じて、図９に示されたノード（４０１）において接続を閉じることにより（本実施形態では、ノード（４０１）がないことは、開回路状態を表す）、燃料電池ブロック（４０２／４０４／４０６／４０８）を直列に構成することができる。さらに、図１０に示されたノード（４０１）において接続を閉じることにより、燃料電池ブロック（４０２／４０４／４０６／４０８）を並列に構成することもできる。また、他の構成、たとえば、２つの燃料電池ブロック（４０４および４０８）が直列に構成され、残りの２つの燃料電池ブロック（４０２および４０６）が使用されない、図１１に示された電気的構成も可能である。図１２に、２つの燃料電池ブロック（４０４および４０８）が並列に構成され、他の２つの燃料電池ブロック（４０２および４０６）が使用されない、実現可能な電気的構成の別の例を示す。本発明によって他の任意の数の電気的再構成が可能であり、図９〜図１２に示された構成は本質的に例示的なものである、ということが理解されよう。
上述した構造によって可能となる複数の構成が、燃料電池ブロックを再構成することにより複数の電圧を負荷装置に同時に供給するように実施され得る、ということが理解されよう。多くの最近の電子機器では、複数の異なる電圧電流が必要であり（たとえば、ＣＰＵ、ディスプレイ、ファン等に対する電力を必要とするコンピュータ）、本発明により、燃料電池スタックを、複数の電気的要件を同時に提供するように再構成することが可能になる。
上述したように、本発明は、種々の燃料電池タイプで利用され得る。たとえば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、プロトン交換膜燃料電池、リン酸形、およびこれらの燃料電池の他の派生物は、本発明の技術から恩恵を受けるであろう。しかしながら、本発明はＳＯＦＣに最も適している可能性がある。
図１３を参照すると、平板形固体酸化物燃料電池（１９）が示される。ＳＯＦＣは、目下、非常に有望な燃料電池技術であると考えられており、改質器を使用せずに種々の燃料（たとえば、水素、炭化水素、アルコール等）の使用を可能にする。ＳＯＦＣ（１９）は、４つの基本的な要素、すなわち、負極（２０）と、正極（２２）と、電解質（２４）と、それぞれ負極（２０）と正極（２２）との外側に配置されたバイポーラプレート（２６および２７）とを含む。電解質（２４）は、負極（２０）と正極（２２）との間に挟まれる。
負極（２０）と接触するバイポーラプレート（２６）は、燃料電池（１９）のマイナス極であり、外部回路（２１）において電子を使用することができるように燃料から放出される電子を伝導する。バイポーラプレート（２６）は、負極（２０）の表面にわたって可能な限り均一に燃料を分散させ、負極（２０）領域からいかなる燃料生産物（たとえば、水、二酸化炭素等）をも除去するために、内部に溝（２８）がパターニングされている。
正極（２２）と接触するバイポーラプレート（２７）は、燃料電池（１９）のプラス極である。バイポーラプレート（２７）は、酸素（通常、空気）を正極（２２）の表面に均一に分散させ、酸素の欠乏した空気の除去を可能にするために、内部に溝（３０）がパターニングされている。また、バイポーラプレート（２７）も、電子を、外部回路（２１）から正極（２２）に戻すように伝導し、そこで電子は分子状酸素と結合して酸素イオンを形成する。
本実施形態の電解質（２４）は固体酸化物膜である。電解質（２４）は、通常、理想的には酸素イオンのみを伝導する高温セラミック材料である。この電解質（２４）は、電子の移動を防止し、ガス状の反応物および生産物に対して不浸透性である。
負極（２０）は、セラミック／金属混合物（サーメット、たとえば、イットリア安定化ジルコニア／ニッケル、サマリア添加セリア／ニッケル等）とすることができる。負極（２０）は、三相境界を最大限にするように通常多孔性である。負極（２０）は燃料の酸化を促進する。
正極（２２）は、通常、電極触媒と酸素イオン伝導体（たとえば、ランタンストロンチウムマンガナイト／イットリア安定化ジルコニア、サマリウムストロンチウムコバルタイト／サマリア添加セリア等）との合成混合物である。正極（２２）は、三相境界を最大限にするように通常多孔性である。正極（２２）は酸化体の減少を容易にする。
実際に使える燃料電池では、電解質（２４）は、負極（２０）と正極（２２）との間に挟まれる。燃料電池の動作を、以下のように概略的に説明することができる。燃料（たとえば、炭化水素、Ｈ２、一酸化炭素等）が、燃料電池の負極（２０）側に入る。燃料が負極（２０）において触媒と接触すると、負極において燃料が酸化することによりイオンおよび電子が形成され、電子（ｅ−）が形成される。電子は、負極（２０）を通ってバイポーラプレート（２６）まで伝導され、そこで、有用な作業を行う（モータを回転させる、または電球（２３）を発光させる等）ための電力を提供している外部回路（２１）を通り抜け、燃料電池（１９）の正極側に戻る。
その間、燃料電池の正極（２２）側では、分子状酸素（Ｏ２）が空気中に存在し、バイポーラプレート（２７）に沿って流れている。Ｏ２は、バイポーラプレート（２７）に沿って正極を横切って強制的に移動させられる際、各々が強い負電荷を有する２つの酸素イオンを形成する。これらの酸素イオンは、固体酸化物電解質を通過し、負極（２０）において燃料と相互作用する。Ｈ２がＳＯＦＣ（１９）の燃料である場合、酸素イオンが結合することにより、水分子と外部回路（２１）のための２つの電子とを形成する。
このような燃料電池反応では、有用な電流において約０．７Ｖしか生成されない。したがって上述したようなより高いレベルまで電圧を上昇させるためには、多くの別個の燃料電池を結合して燃料電池スタックを形成する場合が多い。
固体酸化物型燃料電池は、通常、それらが高反応速度論を有することを可能にするかなり高い温度（およそ８００℃を超える）で動作し、負極構成次第で種々の燃料を使用する。高速な起動を必要とするか、または安価な閉込め構造および温度管理が重要である用途には、より低い温度の動作が望まれる。
構成によっては、ＳＯＦＣ（１９）を円筒のアレイで構成することができる。しかしながら、本実施形態は、図示されたような平板形スタック構成で示されている。
前述した説明は、本発明を例示し説明するためだけに提供されている。それは、網羅的であるように、または本発明を開示したいかなる厳密な形態に限定するようには意図されていない。上記教示に鑑みて、多くの修正および変形が可能である。
本発明の原理とその実際の用途とを最もよく説明するために、好適な実施形態が選択されて説明された。前述した説明は、当業者が、企図された特定の使用に適するように本発明を種々の実施形態において、および種々の修正形態で最もよく利用することができるように意図されている。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定されるように意図されている。
400 燃料電池電源
402 燃料電池のブロックまたはスタック
412 タップ
422 スイッチ
600 燃料電池電源システム
606 制御モジュール
608 負荷
402 燃料電池のブロックまたはスタック
412 タップ
422 スイッチ
600 燃料電池電源システム
606 制御モジュール
608 負荷
Claims (10)
- 燃料電池装置（６００）であって、
制御モジュール（６０６）によって少なくとも２つの構成で電気的に再構成可能な燃料電池ブロック（４０２）を備える、燃料電池装置。 - 前記燃料電池ブロック（４０２）が、前記制御モジュール（６０６）によって前記燃料電池ブロック（４０２）を再構成するために制御される１つまたは複数のスイッチ（４２２）をさらに含む、請求項１記載の燃料電池装置。
- 前記制御モジュール（６０６）が、負荷要件の変化に応答して前記燃料電池ブロック（４０２）を再構成するようにプログラムされる、請求項１または２記載の燃料電池装置。
- 前記制御モジュール（６０６）が、電気機器（６０８）に対して同時に異なる電圧で電流を供給するように前記燃料電池ブロック（４０２）を再構成するようにプログラムされる、請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料電池装置。
- 前記制御モジュール（６０６）が、負荷特性と、燃料電池性能と、負荷装置からのアクティブフィードバックデータのうちの１つまたは複数を入力として受け入れ、その入力に応答して前記燃料電池ブロック（４０２）を再構成するようにプログラムされる、請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池装置。
- 前記制御モジュール（６０６）が、前記燃料電池ブロック（４０２）の使用を一様にするように定期的な間隔で前記燃料電池ブロック（４０２）を再構成するようにプログラムされる、請求項１ないし５のいずれか１項記載の燃料電池装置。
- 制御モジュール（６０６）であって、
論理回路と、
スイッチング回路と、および
信号調整回路とを備え、
前記論理回路、スイッチング回路および信号調整回路が、前記燃料電池装置（６００）の複数の燃料電池スタック（４０２）を再構成するように燃料電池装置（６００）に接続可能である、制御モジュール。 - 前記論理回路、スイッチング回路、および調整回路が、燃料電池負荷データと燃料電池性能データとのうちの１つまたは複数を受け取り、前記燃料電池スタック（４０２）のうちの１つまたは複数を接続または切断することによって、前記燃料電池負荷データに応答して前記複数の燃料電池スタック（４０２）を電気的に再構成するようにプログラムされる、請求項７記載の制御モジュール。
- コントローラ（６０６）により複数の燃料電池ブロック（４０２）間で１つまたは複数の接続（４１２）を電気的に再構成することを含む、燃料電池出力を制御する方法。
- 前記再構成することが、前記１つまたは複数の接続（４１２）に電気的に結合された１つまたは複数のスイッチ（４２２）を開放するかまたは閉鎖することを含む、請求項９記載の方法。
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