JP2004536436A - 燃料電池蘇生方法および装置 - Google Patents
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Abstract
燃料電池システムは、燃料の通路および酸化剤の通路を有する燃料スタックを形成する燃料電池を含む。パージバルブは、汚染物を排出する燃料の通路に接続され、コントローラは、パージバルブに接続されて、燃料電池の対にかかる電圧が規定された閾値電圧よりも低い場合に、酸化剤の通路を介する酸化剤流の流速を一時的に増加させ、かつ燃料パージバルブを一時的に開く。この蘇生ステップにおいて、酸化剤流の速度は、約5秒から10秒の間の期間に、約50%まで空気圧縮器のデューティサイクルを増加させることによって一時的に増加し得る。蘇生ステップの直後の内部蘇生期間に、燃料電池の対にかかる電圧が規定された閾値電圧よりも低い場合、燃料電池動作をさらにシャットダウンし得る。
Description
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料電池、特に、燃料電池のコントロールシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
電気化学的燃料電池は、燃料と酸化剤とを電気に変換する。固体ポリマー電気化学的燃料電池は、概して、カーボンファイバー紙またはカーボンクロスなどの多孔質の導電性シート材料の層を典型的に含む2つの電極の間に配置されたイオン交換膜または固体ポリマー電解質を含む膜電極アセンブリ(「MEA」)を利用する。MEAは、触媒の層を、典型的には、細かく粉砕された白金の形で、膜/電極界面のそれぞれにおいて含み、所望の電気化学的反応を起こさせる。動作中、電極は電気的に接続されており、外部回路を介して電極間で電子を伝導させる回路を提供する。典型的には、複数のMEAが電気的に直列に接続されて、所望の電力出力を有する燃料電池スタックを形成する。
【0003】
典型的な燃料電池においてMEAは、2つの導電性流体流域プレートまたはセパレータプレートの間に配置される。流体流域プレートは、流体流域プレートの少なくとも1つの主要平面に形成される少なくとも1つの流管を有する。流管は、燃料と酸化剤とを各々の電極、すなわち燃料側のアノード電極と酸化剤側のカソード電極に誘導する。流体流域プレートは、集電体として機能し、電極の支持を提供し、燃料および酸化剤のそれぞれのアノード表面およびカソード表面へのアクセスチャンネルを提供し、電池の動作の間に生成された水のような反応生成物を除去するチャンネルを提供する。
【0004】
これらのゼロエミッション特性またはローエミッション特性のため、および再生燃料を使用して動作するパフォーマンスのため、一次電源および/または予備電源としての燃料電池の使用がますます普及する可能性が高い。例えば、燃料電池スタックは、家庭、オフィス、または商業環境におけるコンピュータ、医療または冷却の装置の無停電電源として役立ち得る。他の使用ももちろん可能である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0005】
(発明の要旨)
燃料電池システムの制御および動作システム、ならびにそのような燃料電池システムを制御および動作する方法を、特にパフォーマンスの低下している場所において改良する必要がある。そのようなシステムおよび方法は、例えば、より低い燃料電池スタックのパフォーマンスを検出し、かつパフォーマンスを改良する試みとして燃料電池スタックへの反応物の流れを一時的に調節し、ならびに/あるいはそのような試みが失敗した場合に燃料電池スタックの動作をシャットダウンすることによって応答し得る。
【0006】
ある局面では、燃料電池システムは、燃料の通路および酸化剤の通路を有する燃料電池スタックを形成する燃料電池、ならびに燃料電池スタックのパフォーマンスの低下を示すパラメータに応答し、および/またはスタックの動作中に固定された時間間隔で、燃料電池スタックの各反応物の通路を介して酸化剤または燃料の少なくとも一方の反応物流の流速を一時的に増加させるために接続されるコントローラを備える。反応物流の流速の一時的な増加は、好ましくは、反応物の化学量論の一時的な増加をもたらす。燃料電池スタックのパフォーマンスを示すパラメータは、スタックの1つ以上の燃料電池にかかる電圧であり得る。例えば、スタックに酸化剤の空気を送達するための空気圧縮器を有する燃料電池システムにおいて、空気流は、燃料電池の任意の対にかかる電圧が規定された閾値電圧よりも低い場合、約5秒から10秒の蘇生期間に、約50%まで空気圧縮器のデューティサイクルを増加させることによって増加し得る。一旦、反応物流の流速が一時的な増加の後に減少すると、パフォーマンスを示すパラメータが不十分なパフォーマンスの回復を示す場合、コントローラは、燃料電池動作をシャットダウンするために接続され得る。例えば、反応物流の流速の一時的な増加の後の規定された内部蘇生期間に、燃料電池の対にかかる電圧が閾値電圧よりも低い場合、コントローラは、燃料電池動作をシャットダウンするために接続され得る。スタックの動作中に固定された時間間隔で反応物流の流速を一時的に増加させることに対して、これは、燃料電池のパフォーマンスを示す任意のパラメータと独立してなされ得るが、酸化剤流の流速を増加させることは、例えば、スタックの電力出力またはスタックの電気的負荷が閾値の値より下に低下する場合、低電力での動作期間中に、パフォーマンスを改良するために特に効果的である。
【0007】
燃料電池が、燃料の通路が行き止まり(dead−ended)である状態で実質的に純粋な燃料流上で動作するように構成されるが、燃料の通路から汚染物を周期的に排出するパージバルブに接続される実施形態において、コントローラは、パージバルブに接続され得、かつ上述の燃料電池スタックの酸化剤の通路を介する酸化剤流の流速をコントローラが増加させると同時に、パージ期間にパージバルブを開くように構成され得る。コントローラは、酸化剤流の流速を同時に増加させることなく、他の条件下においても、パージバルブを開き得る。ある特定の実施形態において、燃料電池アセンブリと共に利用する蘇生システムは、燃料電池スタックの燃料の通路から汚染物を排出するように接続されたパージバルブ、燃料電池スタックを介して空気流を提供するように接続された空気流ソース、ならびにパージバルブに接続されたコントローラであって、隣接する燃料電池の対にかかる電圧が規定された閾値電圧よりも低い場合、パージ期間にパージバルブを開き、かつ空気流ソースからの空気流を増加させるように構成されたコントローラを備える。
【0008】
さらなる局面において、燃料電池システムを動作させる方法は、燃料電池スタックのパフォーマンスの低下を示すパラメータに応答して、蘇生期間に、燃料電池スタックの各反応物の通路を介する酸化剤または燃料の少なくとも一方の反応物流の流速を一時的に増加させるステップを包含する。この方法は、燃料電池のパフォーマンスを示すパラメータをモニタリングするステップ、およびそのパラメータを閾値の値と比較するステップを包含する。例えば、この方法は、燃料電池の対にかかる電圧をモニタリングするステップ、モニタリングされた電圧が規定された閾値電圧よりも低いかどうかを判定するステップを包含し得る。閾値は、例えば実際の瞬間平均のスタック電圧に関連する、規定された絶対値であってもよいし、または可変基準値であってもよい。この方法は、一時的な増加の後に、一旦、反応物流の流速が低下する規定された内部蘇生期間に、パフォーマンスを示すパラメータが不十分なパフォーマンスの回復を示す場合、燃料電池動作をシャットダウンするステップをさらに包含し得る。
【0009】
さらなる局面において、燃料電池システムを動作させる方法は、スタックの動作中に、規定された時間間隔で、燃料電池スタックの各反応物の通路を介する酸化剤または燃料の少なくとも一方の反応物流の流速を一時的に増加させるステップを包含する。この方法のこの局面は、特に酸化剤側において、低電力での動作期間中のパフォーマンスを改良することに対して、特に効果的である。例えば、この方法は、スタックの電力出力またはスタック上の電気的負荷をモニタリングするステップ、ならびに電力出力または電気的負荷が閾値の値よりも下に低下した場合に、固定された時間間隔で酸化剤流の流速を一時的に増加させるステップを包含し得る。
【0010】
酸化剤流の流速を調節するステップを包含する燃料電池システムを動作させる上記の方法は、組み合わせて実行され得、かつ、上述の酸化剤流の流速を増加させると同時に、パージ期間に燃料電池スタックの燃料の通路に接続されたパージバルブを開くステップを包含し得る。
【0011】
さらに別の局面では、コンピュータ読み出し可能媒体は、燃料電池のパフォーマンスを示すパラメータが規定された閾値の値よりも低いかどうかを判定し、かつ燃料電池スタックの反応物の通路を介する反応物流の流速を一時的に増加させ、さらにいくらかの局面では、パラメータが規定された閾値の値よりも低い場合、パージ期間に燃料電池スタックの燃料パージバルブを同時に開くことによって、燃料電池システムの動作をプロセッサに制御させる命令を含む。
【0012】
図において、同一の参照番号は、同じ要素や動作を示す。図中の要素のサイズや相対位置は、必ずしも等倍率で縮尺されていない。例えば、様々な要素および角度の形態は、等倍率で縮尺されていない。そしてこれら要素のいくつかは、任意に拡大され、読み易い図に改善するために配置されている。さらに、図示された要素の特定形態は、特定の要素の実際の形態に関するいくつかの情報を伝えることを意図しておらず、単に図において認識し易いように選定されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
(発明の詳細な説明)
以下の説明において、特定の具体的な詳細は、本発明の様々な実施形態の完全な理解を提供するために開示されている。しかしながら、当業者は、本発明をこれらの詳細なしで実施し得ることを理解する。他の例において、本発明の実施形態を不必要に分かりにくくすることを避けるため、燃料電池、マイクロコントローラ、センサ、およびアクチュエータと関連する周知の構造は、詳細な説明がされていない。
【0014】
文脈によってそうではない場合もあるが、明細書および特許請求の範囲を通じて、用語「含む」ならびにその活用形、「含み」および「含んでいる」などは、限定されていない包括的な意味、すなわち、「含むが、これに限定されない」という意味であると解釈されるべきである。
【0015】
(燃料電池システムの概要)
図1は燃料電池システム10の一部、すなわち燃料電池スタック12と電子燃料電池モニタリングおよびコントロールシステム14とを示している。燃料電池スタック12は1組のエンドプレート18a、18bの間に配置された複数の燃料電池アセンブリ16を含む。燃料電池アセンブリ16の構造をよく示すため、燃料電池アセンブリ16の1つは、燃料電池スタック12より部分的に取り除かれている。タイロッド(図示せず)は、エンドプレート18a、18bの間に伸びており、締め込みナット17と協働して様々なコンポーネントに圧力をかけることによってエンドプレート18a、18bに共にバイアスをかけてその間の良好な接触を確保する。
【0016】
各燃料電池アセンブリ16は、イオン交換膜26によって分離されたアノード22およびカソード24の2つの電極を含む膜電極アセンブリ20を含む。電極22、24は、カーボンファイバー紙またはクロスのような反応物に対して浸透性のある多孔質の導電性シート材から形成され得る。各電極22、24は、各電極を電気化学的にアクティブにしておくためにイオン交換膜26に隣接する表面が白金の薄い層のような触媒27でコーティングされている。
【0017】
燃料電池アセンブリ16はまた、膜電極アセンブリ20を挟んでいる一対のセパレータまたは流域プレート28を含む。例示的な実施形態において、流域プレート28のそれぞれは、燃料をアノード22に、かつ酸化剤をカソード24に運ぶための電極22、24のうちの関連する方に隣接する流域プレート28の平面に形成された1つ以上の反応物チャンネル30を含む(図1において流域プレート28の1つにおける反応物チャンネル30のみ見える)。酸化剤を運ぶ反応物チャンネル30はまた、カソード24から生成物の水および排気を逃がす。以下により詳細に説明するように、燃料スタック12は、デッドエンド燃料モードで動作するよう設計されている。したがって、運転中に燃料スタック12に提供される水素燃料の実質的に全てが消費され、いくらかの水素でもシステム10の通常運転中にスタック12から逃がされることはほとんどない。しかしながら、本発明の実施形態はデッドエンドではない希釈燃料で動作する燃料電池システムにも適用され得る。
【0018】
例示的な実施形態において、各流域プレート28は、好ましくは、反応物チャンネル30がある平面と反対側の各流域プレート28の平面に形成された複数の冷却チャンネル32を含む。スタックを組み立てるとき、燃料電池アセンブリ16に隣接する冷却チャンネル32が連係して、各膜電極アセンブリ20の間に閉冷却チャンネル32が、形成される。冷却チャンネル32は、燃料スタック12の中に冷気を通す。冷却チャンネル32は、好ましくは各々がまっすぐかつ互いに並行であり、プレート28の両方のエッジに冷却チャンネル注入口と排出口を配置するように各プレート28を横断している。
【0019】
例示的な実施形態は、各燃料電池アセンブリ16に2つの流域プレート28を含むが、他の実施形態は、隣接する膜電極アセンブリ20の間に単一のバイポーラ流域プレート(図示せず)を含み得る。そのような実施形態において、バイポーラプレートの一方のチャンネルが隣接する膜電極アセンブリ20のうち一方のアノードに燃料を運び、プレートの他方のチャンネルは、隣接する膜電極アセンブリ20のうち他方のカソードに酸化剤を運ぶ。そのような実施形態において、冷却剤(例えば、冷気のような液体やガス)を運ぶためのチャンネルを有するさらなる流体流域プレート28は、スタック12の十分な冷却を提供するため必要に応じて燃料電池スタック12を通じて間隔が空けられ得る。
【0020】
エンドプレート18aは、燃料電池スタック12に供給燃料流を導くための燃料注入ポート(図示せず)を含む。エンドプレート18bは、主として水と無反応性コンポーネントおよび不純物とを含む燃料スタック12から排燃料流を排出する燃料流排出ポート35を含む。不純物は、供給燃料流に導入されているか、または、スタック12において燃料流に入る。燃料流排出ポート35は、通常デッドエンド動作においてバルブによって閉じている。燃料スタック12は、動作中燃料スタック12に供給された水素燃料を実質的に全て消費するように設計されているが、燃料電池スタック12のパージの間に、燃料流排出ポート35で一時的にバルブが開かれることによって、わずかな無反応水素もまた燃料流排出ポート35を通って排出され得る。各燃料電池アセンブリ16は、隣接するアセンブリ16の対応する開口部と連係して内部の燃料供給およびスタック12の長さを伸ばす排気用の多岐管(図示せず)を形成するように内部に形成された開口部を有する。燃料流注入ポートは、それぞれの燃料供給および排出用多岐管と流動的に通じているそれぞれの反応物チャンネル30を介して流体排出ポート35と流動的に通じている。
【0021】
エンドプレート18bは、燃料電池スタック12に供給空気(酸化剤流)を導くための酸化剤流注入ポート37および燃料電池スタック12から排気を放出をするための酸化剤流排出ポート39を含む。各燃料電池アセンブリ16は、隣接する燃料電池アセンブリ16の対応する開口部と連係して酸化剤供給およびスタック12の長さを伸ばす排気用の多岐管を形成するように内部に形成された開口部31、34を有する。酸化剤注入ポート37は、それぞれの酸化剤供給および排出用多岐管と流動的に通じているそれぞれの反応物チャンネル30を介して酸化剤排出ポート39と流動的に通じている。
【0022】
1つの実施形態において、燃料電池スタック12は、47枚の燃料電池アセンブリ16を含む(図1および2は、図を明瞭にするために複数の燃料電池アセンブリ16を省略している)。燃料電池スタック12は、より多量またはより少量の電力を供給するように、それぞれより多い数またはより少ない数の燃料電池アセンブリを含んでもよい。
【0023】
図2で示すように、燃料は、燃料電池スタック12をカスケード流パターンで導かれる。最初の43枚の燃料電池アセンブリ16から構成された第1のセット11は、セット内の燃料流が概ね燃料電池スタック12を流れる冷却剤の流れと反対の同一平行方向(矢印13で示されている)になるように配置される。2つの燃料電池アセンブリ16の次のセット15を流れる燃料流は、第1のセット11の燃料の流れに連続しており、そして、セット15内の概ね燃料電池スタック12を流れる冷却剤の流れと同じ方向(矢印17で示される方向)である。2つの燃料電池アセンブリ16の最終のセット19を流れる燃料は、第1および第2のセット11、15と連続しており、セット19内の概ね燃料電池スタック12を流れる冷却剤の流れと反対の同一平行方向(矢印21で示された方向)である。酸化剤は、平行な47個の燃料電池の各々に、燃料電池スタック12を流れる冷却剤の流れと概ね同じ方向で供給される。
【0024】
燃料電池アセンブリ16の最終セット19は、パージセル部分36を備える。パージセル部分36は、パージバルブが開くことによって定期的に放出される無反応性コンポーネントを蓄積する。
【0025】
各膜電極アセンブリ20は、アノード22とカソード24との間におよそ0.6Vの公称電位差が生じるように設計されている。反応物流(水素および空気)は反応物チャンネル30を流れてイオン交換膜26のどちらかの側の電極22、24に供給される。水素はアノード22に供給され、アノードでは、白金触媒27がプロトンおよび電子への分離を促進し、プロントおよび電子は、有用な電気として外部回路(図示せず)を流れる。膜電極アセンブリ20の反対側において、空気は、イオン交換膜26を通過したプロトンと反応して生成物の水を生成するカソード24に通じる反応物チャンネル30を流れる。
(燃料電池システムセンサおよびアクチュエータ)
図1を引き続き参照すると、電子モニタリングおよび電子コントロールシステム14は、回路板38に様々な電気的および電子的コンポーネント、燃料電池システム10全体に分布する様々なセンサ44およびアクチュエータ46を備えている。回路板38は燃料電池システム動作を実行するために適切にプログラムされた、または構成されたマイクロプロセッサ、あるいはマイクロコントローラ40を保持している。マイクロコントローラ40は、CaliforniaのSan JoseのAtmel Corporationから入手可能なAtmel AVR RISCマイクロコントローラの形態をとり得る。電子モニタリングおよびコントロールシステム14はまた、マイクロコントローラ40のEEPROM部分、または別個の不揮発性コントローラ読出し可能メディアのような持続性メモリ42を含む。
【0026】
マイクロコントローラ40は、センサ44からの入力を受け、アクチュエータ46に出力を供給するように接続されている。入力および/または出力は、デジタル信号および/または、アナログ信号のどちらかの形態をとり得る。燃料電池スタック12が電子モニタリングおよびコントロールシステム14に十分な電力を供給できるまで、再充電可能バッテリー47は、電子モニタリングおよびコントロールシステム14に電力を供給する。マイクロコントローラ40は、燃料電池システムの動作中の電力のスイッチングおよび/または燃料電池の動作中のバッテリー47の再充電のために燃料電池スタック12とバッテリー47との間で選択的に接続可能である。
【0027】
図3は、さらに詳細に燃料電池システム10の様々な要素を示し、図を明瞭にするために図1で省略した様々な他の要素を示している。
【0028】
特に図3を参照すると、燃料電池システム10は、燃料システム50によって燃料(例えば水素)をアノード22に供給している。燃料システム50は、1つ以上の燃料タンク52のような燃料源と、燃料の送達をコントロールするための燃料レギュレーティングシステム54とを含む。燃料タンク52は、水素またはメタノールのような他の燃料を含み得る。あるいは、燃料タンク52は、メタンまたは天然ガスなど再形成されることによって水素が発生し得るプロセス流を表し得る(このような場合における再形成剤は燃料電池システム10で提供されている)。
【0029】
燃料タンク52は、各燃料タンク52からの燃料の流れをコントロールするために燃料タンクバルブ56を含む。燃料タンクバルブ56は、マイクロコントローラ40によって自動的に、かつ/または人間のオペレータによって手動でコントロールされ得る。燃料タンク52は、再充填されてもよいし、使い捨てされてもよい。燃料タンク52は、燃料システム50および/または燃料電池システム10と一体化されてもよいし、または別のユニットの形態をとっても良い。本実施形態において、燃料タンク52は、水素化物貯蔵タンクである。燃料電池スタック12によって生成された熱によって暖められた排出冷気によって加熱することができるように、燃料タンク52は、燃料電池システム10の中に配置される。そのような加熱は、水素化物貯蔵メディアからの水素の放出を容易にする。
【0030】
燃料電池モニタリングおよびコントロールシステム14は、水素濃度センサS5、水素ヒーター電流センサS6および水素センサチェックセンサS11を含む。水素ヒーター電流センサS6は、水素濃度センサS5との一体化されたコンポーネントである水素ヒーター要素をモニタリングするために接続されている電流センサの形態をとり得る。水素センサチェックセンサS11は、水素濃度センサS5が機能しているかどうか判定するために、以下に説明するように、水素濃度センサS5のホイーストンブリッジのポジティブレッグにかかる電圧をモニタリングしている。
【0031】
燃料タンク52は、微粒不純物が燃料レギュレーティングシステム54に入らないことを保証したフィルター60を介して燃料レギュレーティングシステム54と接続されている。燃料レギュレーティングシステム54は、燃料タンク52に残っている燃料の量を示す、燃料タンク52の燃料圧力をモニタリングする圧力センサ62を含む。圧力リリーフバルブ64は、燃料システム50の過剰な圧力を軽減するために自動的に動作する。圧力リリーフバルブ64は、スプリングおよびボールリリーフバルブの形態をとり得る。メインガスバルブソレノイドCS5は、燃料タンク52と燃料レギュレーティングシステム54との間の燃料輸送を供給するためにマイクロコントローラ40からの信号に応答してメインガスバルブ66を開閉する。さらなるソレノイドCS7は、燃料タンクバルブ56を通る流れをコントロールする。水素レギュレータ68は、燃料タンク52からの水素の流れをレギュレーションする。燃料は、スタック12の燃料流注入ポートにつながっている水素注入コンジット69を通って燃料電池アセンブリ16のアノード22に送達される。
【0032】
燃料レギュレーティングシステム54のセンサ44は、燃料電池システム動作を許容限界内に維持するために複数の燃料電池システムの動作パラメータをモニタリングしている。例えば、スタック電圧センサS3は、燃料電池スタック12にかかる総電圧を計測している。パージセル電圧センサS4は、パージセル部分36(図2のカスケード設計における燃料電池アセンブリ16の最終セット19)にかかる電圧をモニタリングしている。電池電圧チェッカーS9は、各燃料電池20にかかる電圧が許容限界内であることを確実にしている。図3において「FCM」と表示したブロック(すなわち燃料電池マイクロコントローラ40)に向けた矢印によって識別されているように、各センサS3、S4、S9は、マイクロコントローラ40に入力を提供している。
【0033】
燃料パージバルブ70は、燃料電池スタック12の燃料流排出ポート35に提供されており、スタック12が動作している場合、通常閉じ位置にある。燃料は、所望の電気化学的反応速度を維持するように必要に応じて燃料電池スタック12に供給される。カスケード流設計のため、動作中にパージセル部分36に、供給燃料流中の不純物(例えばニトロゲン)が溜まりやすい。パージセル部分36の中の不純物の蓄積はパージセル部分36のパフォーマンスを低減させる。パージセル電圧センサS4が、閾値電圧レベルよりパフォーマンスが下がったことを検出した場合に、マイクロコントローラ40は、パージバルブ36を開け、パージセル部分36に溜まり得る不純物および他の無反応コンポーネントを放出する(総称して「パージ放出」と呼ばれる)ように、ソレノイドのようなパージバルブコントローラCS4に信号を送り得る。パージ中のパージバルブ70による水素の排出は、以下に説明するモニタリングおよびコントロールシステム14が破損または故障を引き起こすことを防ぐために制限される。
【0034】
燃料電池システム10は、酸素デリバリーシステム72によって膜電極アセンブリ20のカソード側へ気流の中に酸素を供給する。酸素または空気の源74は、空気タンクまたは周囲の大気の形式を取り得る。フィルター76は、微粒子不純物が酸素デリバリーシステム72に入らないことを保証する。空気圧縮コントローラCS1は、所望の流速で燃料電池スタック12に空気を供給するように空気圧縮器78をコントロールしている。マス空気流センサS8は、燃料電池スタック12に入る空気の流速を計測し、マイクロコントローラ40に入力として値を提供する。湿度変換器80は、イオン変換膜26の湿りを維持するために空気に水蒸気を加える。湿度変換器80は、また電気化学的反応の副産物の水蒸気を除去する。過剰の液体の水は、コンジット81を介して蒸発器58に供給される。
【0035】
燃料電池システム10は燃料電池スタック12からの過剰な熱を除去する。そして、冷却システム82によって燃料タンク52を暖めるために過剰な熱を利用する。冷却システム82は、例えば、燃料電池スタック12のコア温度をモニタリングしているサーミスターのような燃料電池温度センサS1を含む。温度は、マイクロコントローラ40に入力として供給される。例えば、ホールセンサのようなスタック電流センサS2は、燃料電池スタック12を流れる総電流を計測し、マイクロコントローラ40に電流の値を入力として提供する。冷却ファンコントローラCS3は、燃料電池スタック12を冷却するための1つ以上の冷却ファン84の動作をコントロールしている。燃料電池スタック12を通過した後、暖められた冷却空気は、燃料タンク52の周囲を循環する。その後暖められた冷却空気は、蒸発器58を通過する。ソレノイドのような電力リレーコントローラCS6は、マイクロコントローラ40に応答して、燃料電池スタック12を外部電気回路に接続し、外部電気回路から断絶する。パワーダイオード59は、燃料電池システム10に外部負荷からの保護を提供するために、燃料電池システム10に外部負荷からの一方向の絶縁を提供する。バッテリーリレーコントローラCS8は、燃料電池スタック12とバッテリー47との間で燃料電池モニタリングおよびコントロールシステム14を接続および断絶する。
【0036】
燃料電池モニタリングおよびコントロールシステム14(図4に図示)は、燃料電池システム10の周囲をモニタリングするセンサ、およびそれに応じて燃料電池システム10をコントロールするアクチュエータを含む。例えば、水素濃度センサS5(図3に図示)は、燃料電池スタック12の周囲の大気の水素濃度レベルをモニタリングする。水素濃度センサS5は、温度補償され得る水素感知サーミスターを有する加熱要素の形態をとり得る。酸素濃度センサS7(図4に図示)は、燃料電池システム10の周囲の大気の酸素濃度レベルをモニタリングする。例えばデジタルセンサのような大気温度センサS10(図3に図示)は、燃料電池システム10の周囲の大気温度をモニタリングする。
【0037】
図4を参照すると、マイクロコントローラ40は、大気温度、燃料圧力、水素濃度、酸素濃度、燃料電池スタック電流、空気マス流、電池電圧チェック状態、燃料電池スタックにかかる電圧、以下に述べられている様々なセンサからの燃料電池スタックのパージセル部分にかかる電圧のような様々なセンサの計測結果を受信する。マイクロコントローラ40は、空気圧縮器コントローラCS1、冷却ファンコントローラCS3、パージバルブコントローラCS4、メインガスバルブソレノイドCS5、パワー回路レーコントローラCS6、水素タンクバルブソレノイドCS7、およびバッテリーリレーコントローラCS8のような様々なアクチュエータにコントロール信号を提供する。
(燃料電池システム構造配置)
図5〜8は燃料電池システム10のコンポーネントの構造配置を図示している。便宜的に、「上部」、「底」、「上」、「下」および類似の表記は、説明において単に基準の点として用いられ、動作中の図示された燃料電池システム10の概括的な方向と対応しているが、動作中またはそれ以外の状態の燃料電池システム10の方向を限定するように解釈されるべきではない。
【0038】
図5〜7を参照すると、空気圧縮器78および冷却ファン84は、燃料電池スタック12の一方の端部(「空気供給端部」)で一緒にまとめられている。燃料タンク52(図5〜7に図示せず)は、燃料電池スタック12の上部に、長さ方向に沿って燃料電池システム10にマウントすることができる。燃料電池スタック12の上流側の燃料レギュレーティングシステム54のコンポーネントは、概して空気供給端部の反対側のスタック12の端部(「水素供給端部」)に配置される。
【0039】
空気圧縮器78は、空気供給端部において燃料電池スタック12に取外し可能に取付けられた絶縁された筐体700内に収容されている。筐体700は、筐体700へ空気を提供させる、フィルター76でカバーされた空気供給孔702を有する。空気圧縮器78は、容積低圧タイプ圧縮器である。空気圧縮器78は、オペレータによってコントロールできる流速で空気供給コンジット81へ供給空気を伝導するように動作可能である。空気供給コンジット81は、圧縮器筐体700のコンジット孔704を通過し、湿度変換器80の空気供給注入口706と接続される。マスフローセンサS8は、空気圧縮器78の注入口上、好ましくは圧縮器筐体700内に配置される。
【0040】
湿度変換器80は、米国特許第6,106,964号に開示されているタイプのものであってよく、空気供給端部近傍の燃料電池スタック12のある側面にマウントされている。空気供給コンジット81を介して湿度変換器80に入る空気は、湿度を与えられ、その後、湿度変換器80から燃料電池スタック12へと(エンドプレート18bの供給空気注入ポートを介して)排気される。燃料電池スタック12からの排出空気は、エンドプレート18bの排気排出ポートを介して排出され、湿度変換器80へ誘導される。湿度変換器80において排気流の内の水は、供給気流に移される。排気流は、排気排出口712を介して湿度変換器80から放たれ、排気コンジット(図示せず)を介して燃料電池スタック12上方のカバー(図示せず)にマウントされた蒸発装置58(図5〜7で図示せず)へ伝導される。
【0041】
冷却ファン84は、ファン筐体720の中に収容されている。ファン筐体は、燃料電池スタック12の空気供給端部に圧縮器筐体700の下方に取外し可能にマウントされている。ファン筐体720は、冷却ファン84から燃料電池スタック12の底の冷却チャンネルの開口部に冷却空気を誘導しているダクト724を含む。冷却空気は、上方向に燃料電池スタック12を介して(冷却チャンネル32を介して)流れ、燃料電池スタック12の上部の冷却チャンネルの開口部より放出される。動作中に冷却空気によって燃料電池スタック12より取り出された熱は、スタック12の上にスタック12の長さに沿って、直接マウントされる燃料タンク52を暖められるために利用される。暖められた冷却空気のいくらかは、酸化剤供給空気として使われるために圧縮器筐体700の空気供給孔702に再度方向付けられ得る。
【0042】
特に図7を参照すると、マイクロコントローラ40、酸素センサS7、大気温度センサS10がマウントされた回路板38は、マウントブラケット730によって燃料電池スタック12の湿度変換器80と反対側の面にマウントされる。ポジティブ電力またはネガティブ電力供給ライン732、734は、燃料電池スタック12の各端部から伸びており、外部負荷に接続可能である。各電力供給ライン732、734からの導電性ブリードワイヤー736は、スタックパワーイン端子738で回路板38に接続される。この導電性ブリードワイヤー736は、回路板38上のコンポーネントならびに端子739で回路板38に電気的に接続されたセンサ44およびアクチャエーター46に電力を与えるために燃料電池スタック12によって生成された電気のいくらかを伝える。同様にバッテリー47(図5〜7に図示せず)は、バッテリーパワイン端子740で回路板38と電気的に接続されている。バッテリー47は、燃料電池スタック出力がまだ、公称レベルに達していないとき(例えば起動時)に、回路板38のコンポーネント、センサ44およびアクチュエータ46に電力供給している。一旦、燃料電池スタック12が公称動作状況に達すると、燃料電池スタック12はまた、バッテリー47を再充電するように電力供給し得る。
【0043】
全体的には、図5〜7、詳細には、図8を参照すると、ブラケット741が、水素供給端部の燃料電池スタック12上方で燃料タンクバルブコネクター53、水素圧力センサ62、圧力リリーフバルブ64、メインガスバルブ66および水素圧力レギュレータ68をマウントするために水素供給端部に設けられている。適切な圧力レギュレータは、Marshalltown、IowaのFisher Controlsから入手可能なタイプ912圧力レギュレータであり得る。適切な圧力センサは、Dallas、TexasのTexas Instrumentsが供給するトランデューサであり得る。適切な圧力リリーフバルブは、Buffalo Grove、IllinoisのSchraeder−Bridgeportが提供するものであり得る。圧力リリーフバルブ64は、燃料タンク52に提供され、約350psiで開くようにセットされ得る。低圧力リリーフバルブ742は、燃料電池スタック12に提供されている。ブラケット741も、水素濃度センサS5、水素加熱流センサS6および水素センサチェックセンサS11をマウントするために提供される。図6において、ブラケット741は、隠れたラインで透明に示され、S5、S6、およびS11を見ることができる。燃料タンク52は、燃料タンクコネクター53と接続可能である。燃料タンクおよびメインガスバルブ56および66が開けられる場合、水素は燃料供給コンジット69を通って、エンドプレート18aの燃料注入ポートへ(圧力センサ62によってモニタリングされ、そして水素圧力レギュレータ68によって調整可能な)コントロール圧力下で提供される。パージバルブ70は、エンドプレート18bの燃料排出ポートに位置する。
【0044】
燃料電池システム10および燃料タンク52は載荷点744でベース(図示せず)と接続され、燃料電池システムカバー(図示せず)内に収容される。燃料電池スタック12の上部から排出される冷却空気は、このように供給空気注入口702に、または燃料レギュレーティングシステム54を超えて、筐体の冷却空気放出孔にカバーによって誘導される。
【0045】
水素を放出するように設計される、または水素の漏れの危険を表示するコンポーネントが、実際と同様、冷却空気パスに配置する、または冷却空気パスに誘導される放出/リークを有するように、燃料電池システム10は、設計されている。冷却空気パスは、ダクト724、スタック12の冷却空気チャンネルおよびスタック12の上方のシステムカバーの一部によって規定され、冷却空気パスを通過した冷却空気流は、図5、6および7において矢印で示されている。直接冷却空気パス内のコンポーネントには、燃料タンク52、ならびに圧力リリーフバルブ64、メインガスバルブ66、および水素レギュレータ68のような燃料レギュレーティングシステム54のコンポーネントが含まれる。直接冷却空気パス内にないコンポーネントは、冷却空気パスと流動的に接続され、パージコンジット(図示せず)を介してダクト724に接続されたパージバルブ70と、コンジット746を介して燃料レギュレーティングシステム54近傍の排出口に接続される低圧力リリーフバルブ742とを含む。冷却空気ファン84の動作中に、冷却空気流は、図5、6または7で示される矢印の方向で、ダクト724を通りスタック12を過ぎてシステム10の外にリーク/排出水素を運ぶ。水素濃度センサS5は、冷却空気流において運ばれる水素を検知するように冷却空気流においてできるだけ下流に効果的に設置する。水素濃度センサS5は、また燃料レギュレーティングシステム54からの水素のリーク/放出の検知を改良するように燃料レギュレーティングシステム54のコンポーネント近傍に設置される。
(動作の例示的方法)
燃料電池システム10は、マイクロコントローラ40がいずれの操作またはタスクを実行するか決定し得、燃料電池システム動作パラメータの様々な読み出し、または、計測結果に対するマイクロコントローラ40の応答を決定し得る複数の動作状態を利用し得る。マイクロコントローラ40は、マイクロコントローラ40のオンチップフラッシュメモリあるいは他のコントローラ読み出し可能メモリ内にプログラムされ、そこから実行され得るソフトウ空気を実行する。特に、燃料電池システム10は、スタンバイ状態、起動状態、運転状態、警告状態、機能停止状態および停止状態を利用し得る。
【0046】
スタンバイ状態において、燃料電池スタック12は動作しておらず、マイクロコントローラ40は、起動信号のスタートラインをモニタリングしている。例えば、オペレータがスタートボタンまたはスイッチ(図示せず)をアクティブにすることは、スタートラインで起動信号を生成し得る。
【0047】
起動状態において、マイクロコントローラ40は、自身を初期化し、全てのアクチュエータおよびコントロールデバイスを適切な初期化状態にし、シリアルインターフェイスを有効にし、ウォッチドッグタイマーをスタートし、全てのシステムおよびコンポーネントが動作することを保証するために一連のチェックを行う。チェックの結果が満足できる場合は、マイクロコントローラ40は、外部負荷を接続させ、運転状態に入る。満足しなければ、燃料電池システム10は動作可能にならずに機能停止状態に入る。
【0048】
運転状態において、燃料および酸化剤は、完全に動作可能な燃料電池スタック12に供給される。マイクロコントローラ40は、計測された動作パラメータを基に、燃料電池システム10のパフォーマンスをモニタリングし、上記の様々なアクチュエータを介し様々なシステムをコントロールする。マイクロコントローラ40が、1つ以上の動作パラメータが警戒範囲外であると判定した場合、マイクロコントローラ40は燃料電池システム10を警戒状態にする。マイクロコントローラ40が、1つ以上の動作パラメータが機能停止の範囲外にあることを決定した場合、マイクロコントローラ40は、燃料電池システムを機能停止状態にする。機能停止範囲外にない場合、燃料電池システム10は、スタートアップラインで停止信号を受信するまで運転状態を続ける。マイクロコントローラ40は、停止信号に応答して、燃料電池システムが少なくとも1分間運転状態にある場合、燃料電池システム10を運転状態から停止状態へ進める。その場合、マイクロコントローラ40は、おおよそ45秒間続く延長されるシャットダウン処理を始める。この間、燃料電池システム12が停止状態にある。燃料電池システム12が少なくとも1分間運転状態にない場合、マイクロコントローラ40は、通常シャットダウン処理を行い、燃料電池システム10は、運転状態から直接スタンバイ状態へ進む。
【0049】
警戒状態においてマイクロコントローラ40は、オペレータに警戒範囲外状態の警告通知を提供し得る。しかし、警戒状態になければ燃料電池システム10は動作し続ける。さらに、マイクロコントローラ40は、持続性メモリ42に警戒範囲外状態に対応する警戒状態コードを書き込み得る。
【0050】
機能停止状態において、マイクロコントローラ40は、直ちに燃料電池システム10の動作を停止し、持続性メモリ42に機能停止状態コードを書き込む。燃料電池システム10は、スタートラインで停止信号を受信するまで機能停止状態のままである。停止信号に応答して、マイクロコントローラ40は、燃料電池システム10のシャットダウンを完了し、燃料電池システム10をスタンバイ状態にする。
【0051】
停止状態において、マイクロコントローラ40は、燃料電池システム10の様々なコンポーネントをシャットダウンし、燃料電池システム10の動作を停止する。一旦、様々なコンポーネントがシャットダウンされると、マイクロコントローラ40は、燃料電池システム10をスタンバイ状態にする。
【0052】
図9Aおよび図9Bは、1つ以上の燃料電池アセンブリ16のパフォーマンスが閾値より下に低下した後に、1つ以上の燃料電池アセンブリ16のパフォーマンスを改良する例示的な蘇生方法100を示す。このようなパフォーマンスの降下は、特に、例えば、燃料電池の1つ以上の反応物チャンネルが浸水している場合、各燃料電池アセンブリ16の電極触媒に到達する反応物の量が不十分であることの結果であり得る。この方法は、ステップ102でスタートする。ステップ104において、マイクロプセセッサ40は、燃料電池アセンブリ16の対にかかる電圧をチェックする。マイクロプロセッサ40は、電池電圧チェッカーS9のデジタル出力に依存し得る。例えば、電池電圧チェッカーS9の出力が「0」またはLOWである場合、マイクロプロセッサ40は、燃料電池アセンブリ16の少なくとも1つの対にかかる電圧が閾値電圧より下であることを決定する。
【0053】
任意の回路が、1つ以上の燃料電池アセンブリ16にかかる電圧が適切であることを決定する一方で、共通して付与された「FUEL CELL ANOMALY DETECTION METHOD AND APPARATUS」と称する米国特許第09/号に開示され、かつ本明細書と同じ出願日である(Atty.Docket第130109.406)電池電圧チェッカーS9は、開示される燃料電池システム10に特に適している。適切な閾値電圧は、燃料電池アセンブリ16の対に対して約0.8Vから0.85Vの間にあり得る。燃料電池アセンブリ16において、対の各燃料電池アセンブリ16は、公称上、アノード22とカソード24との間に約0.6Vの電圧を生成する。
【0054】
ステップ106において、燃料電池アセンブリ16の対にかかる電圧が閾値電圧よりも低くない場合、マイクロプロセッサ40は、ステップ108に制御を進め、第1の待ちループを実行する。燃料電池アセンブリ16の対にかかる電圧が閾値電圧より低い場合、マイクロプロセッサ40は、ステップ110に制御を進める。
【0055】
ステップ110において、マイクロプロセッサ40は、タイマーをリセットする。燃料電池モニタリングおよび制御システム14は、1つ以上のタイマーを利用し得、1つ以上のタイマーは、マイクロプロセッサ40に一体化されてもよいし、または別々のコンポーネントであってもよい。ステップ112において、マイクロプロセッサ40は、タイマーを開始する。ステップ114において、マイクロコントローラ40は、適切な信号をパージバルブコントローラCS4に送信して、パージバルブ70を開き、パージバルブ70は、パージセル部分36に燃料を運ぶ反応物チャンネル30に接続される。ステップ116において、マイクロコントローラ40は、信号を空気圧縮器コントローラCS1に提供して、空気圧縮器78のデューティサイクルを増加させ、空気流を増加させる。デューティサイクルの適切な増加は、標準的な動作デューティサイクルの50%オーバーであってもよい。適切なパージおよび蘇生期間は、約5秒から10秒の間であってもよい。
【0056】
マイクロコントローラ40のパフォーマンスの損失の原因が、パージセル部分36の不純物の蓄積によることを決定する特定の状況においては、マイクロコントローラ40のみが、燃料電池スタック12を流れる空気流の速度を増加させることなく、燃料パージバルブ70を開くことができる。別の実施形態では、マイクロコントローラ40のみが、パージバルブ70を開くことなく、燃料電池スタック12を通る空気流の速度を増加させる。ここで、マイクロコントローラ40は、パフォーマンスの損失の原因が、燃料電池アセンブリ16の電極触媒に対する空気の提供が不十分であることによることを決定する。
【0057】
ステップ118において、マイクロコントローラ40は、タイマー読み出しがパージ期間に等しい、またはそれよりも長いかどうかを判定する。マイクロコントローラ40は、タイマー読み出しがパージ期間よりも長くも等しくもない場合に、ステップ120へ制御を進め、第2の待ちループを実行する。マイクロコントローラ40は、タイマー読み出しがパージ期間よりも長いか、または等しい場合に、ステップ122へ制御を進める。
【0058】
ステップ122において、マイクロコントローラ40は、適切な信号を空気圧縮器コントローラCS1に送信して、空気圧縮器78のデューティサイクルを低下させ、空気流を減少させる。ステップ124において、マイクロコントローラ40は、適切な信号をパージバルブコントローラCS4に送信して、パージバルブ70を閉じ、蘇生手続きを終了する。
【0059】
ステップ126において、マイクロコントローラ40は、内部蘇生手続きのための準備の際に、タイマーをリセットする。内部蘇生期間は、規定された期間であり、蘇生ステップの適用の直後である。蘇生ステップの間、蘇生によるパフォーマンスの回復の連続的試みが阻止される。適切な内部蘇生期間は、約20秒であってもよい。ステップ128において、マイクロコントローラ40は、タイマーを開始する。
【0060】
ステップ130において、マイクロプロセッサ40は、ステップ104と同様の形式で、燃料電池対にかかる電圧をチェックする。ステップ132において、マイクロコントローラ40は、ステップ134に制御を進め、機能停止状態に入り、内部蘇生期間において燃料電池の対にかかる電圧が閾値電圧よりも低い場合に(閾値電圧は、ステップ106において利用された閾値電圧と同じであってもよいし、異なっていてもよい)、燃料電池スタック12の動作を停止させ、ステップ136の蘇生方法100を終了する。この状況は、再スタート可能なエラーを構成し、そのため、マイクロプロセッサ40は、非再スタート可能な状態フラグをセットしない。燃料電池アセンブリ16の対にかかる電圧がステップ132の閾値電圧よりも低くない場合、マイクロプロセッサ40は、ステップ138に制御を進める。
【0061】
ステップ138において、マイクロプロセッサ40は、タイマー読み出しが内部蘇生期間に等しいか、またはそれよりも長いかどうかを判定する。マイクロプロセッサ40は、タイマー読み出しが内部蘇生期間に等しいか、または長い場合に、ステップ136に制御を進める。マイクロプロセッサ40は、タイマー読み出しが内部蘇生期間よりも長くも等しくもない場合に、ステップ140に制御を進め、第3の待ちループを実行する。内部蘇生期間が完了した後に、マイクロコントローラは、前回の状態に戻り、かつ必要とされる時に、さらなる蘇生ステップを実行し得る。
【0062】
上述の蘇生方法は、様々な電力出力または負荷設定において動作可能な燃料電池システムにおいて実行され得る。燃料電池システム10は、少数の低電力電気デバイスが燃料電池システムに接続され、かつそこから電力を引き出す時、あるいは燃料電池システムがアイドリング中であるときに、例えば、図示されるシステム10については15Aより下の「低負荷」で動作可能であり得る。低負荷で動作している時、所望の化学量論(通常は約2.0)を維持するために必要とされる酸化剤空気流速度は、カソードにおける水の堆積を除去するために不十分であってもよく、最終的に、システム10の1つ以上の燃料電池アセンブリのカソードの浸水が発生し得る。低負荷動作の間のカソードの浸水と関連する問題を防止する、または少なくとも低減するために、蘇生方法は、低負荷動作のための水の管理ストラテジーの一部として断続的な間隔で適用され得る。これに関連して、燃料電池システムが低負荷条件(例えば、閾値電力出力より下)の下に動作している時、酸化剤空気流速度は、カソードにおける過剰の水を除去するために断続的かつ一時的に増加し得(通常、公称値より上の化学量論を増加させる)、選択的に燃料パージバルブ(存在する場合)は、断続的かつ一時的に開かれ得る。このように、この蘇生方法は、電力出力が閾値レベルより下にある時、かつ電力電圧チェッカーS9が燃料電池対が電圧閾値より下に低下していることを検出するときはいつでも、規定された時間間隔で実行され得る。この閾値は、カソードの浸水を被る燃料電池対の電圧に対応し得る。
【0063】
時間蘇生ステップの間の適切な間隔、および蘇生ステップの適切な期間を決定するテストが、燃料電池スタック12上で実行された。適切な周波数を決定するために、マイクロコントローラ40は、モニタリングされる電池対の電池電圧がスタックの電池対の平均電圧の75%より下に低下した時はいつでも、蘇生ステップをトリガーするようにプログラムされた。蘇生ステップ間の最小、最大、および平均時間が、計測された。テストは、1Aから15Aの間の負荷に対して処理された。公称空気流の速度は、2.0の化学量論を提供するように、特定の燃料電池システム10の空気圧縮器により生成され得る最小空気流速度を反映する16slpmの最小の公称空気流速度によってセットされた。
【0064】
テストデータは、重要なカソードの浸水が15Aより大きい、または5Aより下の負荷に対して発生しないことを示した。5Aより小さい場合、燃料電池スタック12は、おそらく圧縮器が16slpmより下の空気流速度を提供することができないことの結果である過剰な酸化剤の流れにより、脱水を経験した。5Aから15Aの負荷に対して、30A(46slmp)で2.0の化学量論と等価な流速度までの10秒間の酸化剤の空気流速度の増加は、これらの蘇生ステップの間の10秒の間隔により、低負荷(5Aから15Aの間)の燃料電池のパフォーマンスを改良することが分かった。
【0065】
付加的に、または追加として、蘇生ステップは、低電圧状態が燃料電圧チェッカーS9により検出された時はいつでも実行され得る。
【0066】
本発明の特定の実施形態および例が例示の目的で記載されたが、様々な同等の改変は、当業者に認められるように本発明の意図および範囲から逸脱することなくなされ得る。ここで提供された発明の教示は、他の燃料電池システムに適用され得、必ずしも上述されたPME燃料電池システムでなくてもよい。
【0067】
米国特許出願第09/916,241号は、FUEL CELL AMBIENT ENVIRONMENT MONITORING AND CONTROL APPARATUS AND METHOD(Atty.Docket No.130109.404)と題されており、第09/916,117号は、FUEL CELL CONTROLLER SELF INSPECTION(Atty.Docket No.130109.405)と題されており、第09/916,115号は、FUEL CELL ANOMALY DETECTION METHOD AND APPARATUS(Atty.Docket No.130109.406)と題されており、第09/916,211号は、FUEL CELL PURGING METHOD AND APPARATUS(Atty.Docket No.130109.407)と題されており、第09/916,240号は、FUEL CELL SYSTEM METHOD,APPARATUS AND SCHDULING(Atty.Docket No.130109.409)と題されており、第09/916,239号は、FUEL CELL SYSTEM AUTOMATIC POWER SWITCHING METHOD AND APPARATUS(Atty.Docket No.130109.421)と題されており、第09/916,118号は、PRODUCT WATER PUMP FOR FUEL CELL SYSTEM(Atty.Docket No.130109.427)と題されており、第09/916,212号は、FUEL CELL SYSTEM HAVING A HYDROGEN SENSOR(Atty.Docket No.130109.429)と題されており、全て2001年7月25日に出願されており、その全体を本発明において参照として援用する。上述され、本発明において参照として援用された出願および特許における様々な実施形態は、さらなる実施形態の提供するために組み合わせられ得る。述べられた方法は、いくつかの動作を省略し、他の動作を加え得る。発明の進歩を達成するように、図示されたものと異なる順序で動作を実施し得る。
【0068】
これらならびに他の変更は、詳細な説明上の観点から本発明に対して得る。概して、以下の特許請求の範囲における用いられる専門用語は、明細書に記載された特定の実施形態に本発明を限定するように解釈されるべきではない。しかし、特許請求の範囲に従って動作する全ての燃料電池システム、コントローラ、プロセッサ、アクチュエータおよびセンサを含むと解釈されるべきである。したがって、本発明は、開示されるものに限定されず、しかし、代わりにその範囲は、添付の特許請求の範囲によって完全に決定される。
【図面の簡単な説明】
【0069】
【図1】図1は、燃料電池スタックを含む燃料電池システムと燃料電池モニタリングおよびコントロールシステムを含む制御電子機器との等大、部分的に拡大した図である。
【図2】図2は、図1の燃料電池システムのカスケード燃料電池スタックを通る燃料のフローを表す概略図である。
【図3】図3は、図1の燃料電池モニタリングおよびコントロールシステムの一部の概略図である。
【図4】図4は、燃料電池スタックとバッテリーとの間に選択的に接続される燃料電池マイクロコントローラを備える図3の燃料電池モニタリングおよびコントロールシステムの追加された部分の概略図である。
【図5】図5は、図1の燃料電池システムの様々なコンポーネントの構造配置の右上からの等大図である。
【図6】図6は、カバーを取外した図5の燃料電池システムの様々なコンポーネントの構造配置の右上からの等大図である。
【図7】図7は、図5の燃料電池システムの様々なコンポーネントの構造配置の左上からの等大図である。
【図8】図8は、図5の燃料電池システムの圧力レギュレータの一部分の右上からの等大図である。
【図9A】図9Aは、図9Bと組み合わせて、低電圧状態を検出し、燃料電池を蘇生させるステップを含む、図1および2の燃料電池システムの動作方法を示すフローチャートである。
【図9B】図9Bは、図9Aと組み合わせて、低電圧状態を検出し、燃料電池を蘇生させるステップを含む、図1および2の燃料電池システムの動作方法を示すフローチャートである。
【0001】
本発明は、燃料電池、特に、燃料電池のコントロールシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
電気化学的燃料電池は、燃料と酸化剤とを電気に変換する。固体ポリマー電気化学的燃料電池は、概して、カーボンファイバー紙またはカーボンクロスなどの多孔質の導電性シート材料の層を典型的に含む2つの電極の間に配置されたイオン交換膜または固体ポリマー電解質を含む膜電極アセンブリ(「MEA」)を利用する。MEAは、触媒の層を、典型的には、細かく粉砕された白金の形で、膜/電極界面のそれぞれにおいて含み、所望の電気化学的反応を起こさせる。動作中、電極は電気的に接続されており、外部回路を介して電極間で電子を伝導させる回路を提供する。典型的には、複数のMEAが電気的に直列に接続されて、所望の電力出力を有する燃料電池スタックを形成する。
【0003】
典型的な燃料電池においてMEAは、2つの導電性流体流域プレートまたはセパレータプレートの間に配置される。流体流域プレートは、流体流域プレートの少なくとも1つの主要平面に形成される少なくとも1つの流管を有する。流管は、燃料と酸化剤とを各々の電極、すなわち燃料側のアノード電極と酸化剤側のカソード電極に誘導する。流体流域プレートは、集電体として機能し、電極の支持を提供し、燃料および酸化剤のそれぞれのアノード表面およびカソード表面へのアクセスチャンネルを提供し、電池の動作の間に生成された水のような反応生成物を除去するチャンネルを提供する。
【0004】
これらのゼロエミッション特性またはローエミッション特性のため、および再生燃料を使用して動作するパフォーマンスのため、一次電源および/または予備電源としての燃料電池の使用がますます普及する可能性が高い。例えば、燃料電池スタックは、家庭、オフィス、または商業環境におけるコンピュータ、医療または冷却の装置の無停電電源として役立ち得る。他の使用ももちろん可能である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0005】
(発明の要旨)
燃料電池システムの制御および動作システム、ならびにそのような燃料電池システムを制御および動作する方法を、特にパフォーマンスの低下している場所において改良する必要がある。そのようなシステムおよび方法は、例えば、より低い燃料電池スタックのパフォーマンスを検出し、かつパフォーマンスを改良する試みとして燃料電池スタックへの反応物の流れを一時的に調節し、ならびに/あるいはそのような試みが失敗した場合に燃料電池スタックの動作をシャットダウンすることによって応答し得る。
【0006】
ある局面では、燃料電池システムは、燃料の通路および酸化剤の通路を有する燃料電池スタックを形成する燃料電池、ならびに燃料電池スタックのパフォーマンスの低下を示すパラメータに応答し、および/またはスタックの動作中に固定された時間間隔で、燃料電池スタックの各反応物の通路を介して酸化剤または燃料の少なくとも一方の反応物流の流速を一時的に増加させるために接続されるコントローラを備える。反応物流の流速の一時的な増加は、好ましくは、反応物の化学量論の一時的な増加をもたらす。燃料電池スタックのパフォーマンスを示すパラメータは、スタックの1つ以上の燃料電池にかかる電圧であり得る。例えば、スタックに酸化剤の空気を送達するための空気圧縮器を有する燃料電池システムにおいて、空気流は、燃料電池の任意の対にかかる電圧が規定された閾値電圧よりも低い場合、約5秒から10秒の蘇生期間に、約50%まで空気圧縮器のデューティサイクルを増加させることによって増加し得る。一旦、反応物流の流速が一時的な増加の後に減少すると、パフォーマンスを示すパラメータが不十分なパフォーマンスの回復を示す場合、コントローラは、燃料電池動作をシャットダウンするために接続され得る。例えば、反応物流の流速の一時的な増加の後の規定された内部蘇生期間に、燃料電池の対にかかる電圧が閾値電圧よりも低い場合、コントローラは、燃料電池動作をシャットダウンするために接続され得る。スタックの動作中に固定された時間間隔で反応物流の流速を一時的に増加させることに対して、これは、燃料電池のパフォーマンスを示す任意のパラメータと独立してなされ得るが、酸化剤流の流速を増加させることは、例えば、スタックの電力出力またはスタックの電気的負荷が閾値の値より下に低下する場合、低電力での動作期間中に、パフォーマンスを改良するために特に効果的である。
【0007】
燃料電池が、燃料の通路が行き止まり(dead−ended)である状態で実質的に純粋な燃料流上で動作するように構成されるが、燃料の通路から汚染物を周期的に排出するパージバルブに接続される実施形態において、コントローラは、パージバルブに接続され得、かつ上述の燃料電池スタックの酸化剤の通路を介する酸化剤流の流速をコントローラが増加させると同時に、パージ期間にパージバルブを開くように構成され得る。コントローラは、酸化剤流の流速を同時に増加させることなく、他の条件下においても、パージバルブを開き得る。ある特定の実施形態において、燃料電池アセンブリと共に利用する蘇生システムは、燃料電池スタックの燃料の通路から汚染物を排出するように接続されたパージバルブ、燃料電池スタックを介して空気流を提供するように接続された空気流ソース、ならびにパージバルブに接続されたコントローラであって、隣接する燃料電池の対にかかる電圧が規定された閾値電圧よりも低い場合、パージ期間にパージバルブを開き、かつ空気流ソースからの空気流を増加させるように構成されたコントローラを備える。
【0008】
さらなる局面において、燃料電池システムを動作させる方法は、燃料電池スタックのパフォーマンスの低下を示すパラメータに応答して、蘇生期間に、燃料電池スタックの各反応物の通路を介する酸化剤または燃料の少なくとも一方の反応物流の流速を一時的に増加させるステップを包含する。この方法は、燃料電池のパフォーマンスを示すパラメータをモニタリングするステップ、およびそのパラメータを閾値の値と比較するステップを包含する。例えば、この方法は、燃料電池の対にかかる電圧をモニタリングするステップ、モニタリングされた電圧が規定された閾値電圧よりも低いかどうかを判定するステップを包含し得る。閾値は、例えば実際の瞬間平均のスタック電圧に関連する、規定された絶対値であってもよいし、または可変基準値であってもよい。この方法は、一時的な増加の後に、一旦、反応物流の流速が低下する規定された内部蘇生期間に、パフォーマンスを示すパラメータが不十分なパフォーマンスの回復を示す場合、燃料電池動作をシャットダウンするステップをさらに包含し得る。
【0009】
さらなる局面において、燃料電池システムを動作させる方法は、スタックの動作中に、規定された時間間隔で、燃料電池スタックの各反応物の通路を介する酸化剤または燃料の少なくとも一方の反応物流の流速を一時的に増加させるステップを包含する。この方法のこの局面は、特に酸化剤側において、低電力での動作期間中のパフォーマンスを改良することに対して、特に効果的である。例えば、この方法は、スタックの電力出力またはスタック上の電気的負荷をモニタリングするステップ、ならびに電力出力または電気的負荷が閾値の値よりも下に低下した場合に、固定された時間間隔で酸化剤流の流速を一時的に増加させるステップを包含し得る。
【0010】
酸化剤流の流速を調節するステップを包含する燃料電池システムを動作させる上記の方法は、組み合わせて実行され得、かつ、上述の酸化剤流の流速を増加させると同時に、パージ期間に燃料電池スタックの燃料の通路に接続されたパージバルブを開くステップを包含し得る。
【0011】
さらに別の局面では、コンピュータ読み出し可能媒体は、燃料電池のパフォーマンスを示すパラメータが規定された閾値の値よりも低いかどうかを判定し、かつ燃料電池スタックの反応物の通路を介する反応物流の流速を一時的に増加させ、さらにいくらかの局面では、パラメータが規定された閾値の値よりも低い場合、パージ期間に燃料電池スタックの燃料パージバルブを同時に開くことによって、燃料電池システムの動作をプロセッサに制御させる命令を含む。
【0012】
図において、同一の参照番号は、同じ要素や動作を示す。図中の要素のサイズや相対位置は、必ずしも等倍率で縮尺されていない。例えば、様々な要素および角度の形態は、等倍率で縮尺されていない。そしてこれら要素のいくつかは、任意に拡大され、読み易い図に改善するために配置されている。さらに、図示された要素の特定形態は、特定の要素の実際の形態に関するいくつかの情報を伝えることを意図しておらず、単に図において認識し易いように選定されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
(発明の詳細な説明)
以下の説明において、特定の具体的な詳細は、本発明の様々な実施形態の完全な理解を提供するために開示されている。しかしながら、当業者は、本発明をこれらの詳細なしで実施し得ることを理解する。他の例において、本発明の実施形態を不必要に分かりにくくすることを避けるため、燃料電池、マイクロコントローラ、センサ、およびアクチュエータと関連する周知の構造は、詳細な説明がされていない。
【0014】
文脈によってそうではない場合もあるが、明細書および特許請求の範囲を通じて、用語「含む」ならびにその活用形、「含み」および「含んでいる」などは、限定されていない包括的な意味、すなわち、「含むが、これに限定されない」という意味であると解釈されるべきである。
【0015】
(燃料電池システムの概要)
図1は燃料電池システム10の一部、すなわち燃料電池スタック12と電子燃料電池モニタリングおよびコントロールシステム14とを示している。燃料電池スタック12は1組のエンドプレート18a、18bの間に配置された複数の燃料電池アセンブリ16を含む。燃料電池アセンブリ16の構造をよく示すため、燃料電池アセンブリ16の1つは、燃料電池スタック12より部分的に取り除かれている。タイロッド(図示せず)は、エンドプレート18a、18bの間に伸びており、締め込みナット17と協働して様々なコンポーネントに圧力をかけることによってエンドプレート18a、18bに共にバイアスをかけてその間の良好な接触を確保する。
【0016】
各燃料電池アセンブリ16は、イオン交換膜26によって分離されたアノード22およびカソード24の2つの電極を含む膜電極アセンブリ20を含む。電極22、24は、カーボンファイバー紙またはクロスのような反応物に対して浸透性のある多孔質の導電性シート材から形成され得る。各電極22、24は、各電極を電気化学的にアクティブにしておくためにイオン交換膜26に隣接する表面が白金の薄い層のような触媒27でコーティングされている。
【0017】
燃料電池アセンブリ16はまた、膜電極アセンブリ20を挟んでいる一対のセパレータまたは流域プレート28を含む。例示的な実施形態において、流域プレート28のそれぞれは、燃料をアノード22に、かつ酸化剤をカソード24に運ぶための電極22、24のうちの関連する方に隣接する流域プレート28の平面に形成された1つ以上の反応物チャンネル30を含む(図1において流域プレート28の1つにおける反応物チャンネル30のみ見える)。酸化剤を運ぶ反応物チャンネル30はまた、カソード24から生成物の水および排気を逃がす。以下により詳細に説明するように、燃料スタック12は、デッドエンド燃料モードで動作するよう設計されている。したがって、運転中に燃料スタック12に提供される水素燃料の実質的に全てが消費され、いくらかの水素でもシステム10の通常運転中にスタック12から逃がされることはほとんどない。しかしながら、本発明の実施形態はデッドエンドではない希釈燃料で動作する燃料電池システムにも適用され得る。
【0018】
例示的な実施形態において、各流域プレート28は、好ましくは、反応物チャンネル30がある平面と反対側の各流域プレート28の平面に形成された複数の冷却チャンネル32を含む。スタックを組み立てるとき、燃料電池アセンブリ16に隣接する冷却チャンネル32が連係して、各膜電極アセンブリ20の間に閉冷却チャンネル32が、形成される。冷却チャンネル32は、燃料スタック12の中に冷気を通す。冷却チャンネル32は、好ましくは各々がまっすぐかつ互いに並行であり、プレート28の両方のエッジに冷却チャンネル注入口と排出口を配置するように各プレート28を横断している。
【0019】
例示的な実施形態は、各燃料電池アセンブリ16に2つの流域プレート28を含むが、他の実施形態は、隣接する膜電極アセンブリ20の間に単一のバイポーラ流域プレート(図示せず)を含み得る。そのような実施形態において、バイポーラプレートの一方のチャンネルが隣接する膜電極アセンブリ20のうち一方のアノードに燃料を運び、プレートの他方のチャンネルは、隣接する膜電極アセンブリ20のうち他方のカソードに酸化剤を運ぶ。そのような実施形態において、冷却剤(例えば、冷気のような液体やガス)を運ぶためのチャンネルを有するさらなる流体流域プレート28は、スタック12の十分な冷却を提供するため必要に応じて燃料電池スタック12を通じて間隔が空けられ得る。
【0020】
エンドプレート18aは、燃料電池スタック12に供給燃料流を導くための燃料注入ポート(図示せず)を含む。エンドプレート18bは、主として水と無反応性コンポーネントおよび不純物とを含む燃料スタック12から排燃料流を排出する燃料流排出ポート35を含む。不純物は、供給燃料流に導入されているか、または、スタック12において燃料流に入る。燃料流排出ポート35は、通常デッドエンド動作においてバルブによって閉じている。燃料スタック12は、動作中燃料スタック12に供給された水素燃料を実質的に全て消費するように設計されているが、燃料電池スタック12のパージの間に、燃料流排出ポート35で一時的にバルブが開かれることによって、わずかな無反応水素もまた燃料流排出ポート35を通って排出され得る。各燃料電池アセンブリ16は、隣接するアセンブリ16の対応する開口部と連係して内部の燃料供給およびスタック12の長さを伸ばす排気用の多岐管(図示せず)を形成するように内部に形成された開口部を有する。燃料流注入ポートは、それぞれの燃料供給および排出用多岐管と流動的に通じているそれぞれの反応物チャンネル30を介して流体排出ポート35と流動的に通じている。
【0021】
エンドプレート18bは、燃料電池スタック12に供給空気(酸化剤流)を導くための酸化剤流注入ポート37および燃料電池スタック12から排気を放出をするための酸化剤流排出ポート39を含む。各燃料電池アセンブリ16は、隣接する燃料電池アセンブリ16の対応する開口部と連係して酸化剤供給およびスタック12の長さを伸ばす排気用の多岐管を形成するように内部に形成された開口部31、34を有する。酸化剤注入ポート37は、それぞれの酸化剤供給および排出用多岐管と流動的に通じているそれぞれの反応物チャンネル30を介して酸化剤排出ポート39と流動的に通じている。
【0022】
1つの実施形態において、燃料電池スタック12は、47枚の燃料電池アセンブリ16を含む(図1および2は、図を明瞭にするために複数の燃料電池アセンブリ16を省略している)。燃料電池スタック12は、より多量またはより少量の電力を供給するように、それぞれより多い数またはより少ない数の燃料電池アセンブリを含んでもよい。
【0023】
図2で示すように、燃料は、燃料電池スタック12をカスケード流パターンで導かれる。最初の43枚の燃料電池アセンブリ16から構成された第1のセット11は、セット内の燃料流が概ね燃料電池スタック12を流れる冷却剤の流れと反対の同一平行方向(矢印13で示されている)になるように配置される。2つの燃料電池アセンブリ16の次のセット15を流れる燃料流は、第1のセット11の燃料の流れに連続しており、そして、セット15内の概ね燃料電池スタック12を流れる冷却剤の流れと同じ方向(矢印17で示される方向)である。2つの燃料電池アセンブリ16の最終のセット19を流れる燃料は、第1および第2のセット11、15と連続しており、セット19内の概ね燃料電池スタック12を流れる冷却剤の流れと反対の同一平行方向(矢印21で示された方向)である。酸化剤は、平行な47個の燃料電池の各々に、燃料電池スタック12を流れる冷却剤の流れと概ね同じ方向で供給される。
【0024】
燃料電池アセンブリ16の最終セット19は、パージセル部分36を備える。パージセル部分36は、パージバルブが開くことによって定期的に放出される無反応性コンポーネントを蓄積する。
【0025】
各膜電極アセンブリ20は、アノード22とカソード24との間におよそ0.6Vの公称電位差が生じるように設計されている。反応物流(水素および空気)は反応物チャンネル30を流れてイオン交換膜26のどちらかの側の電極22、24に供給される。水素はアノード22に供給され、アノードでは、白金触媒27がプロトンおよび電子への分離を促進し、プロントおよび電子は、有用な電気として外部回路(図示せず)を流れる。膜電極アセンブリ20の反対側において、空気は、イオン交換膜26を通過したプロトンと反応して生成物の水を生成するカソード24に通じる反応物チャンネル30を流れる。
(燃料電池システムセンサおよびアクチュエータ)
図1を引き続き参照すると、電子モニタリングおよび電子コントロールシステム14は、回路板38に様々な電気的および電子的コンポーネント、燃料電池システム10全体に分布する様々なセンサ44およびアクチュエータ46を備えている。回路板38は燃料電池システム動作を実行するために適切にプログラムされた、または構成されたマイクロプロセッサ、あるいはマイクロコントローラ40を保持している。マイクロコントローラ40は、CaliforniaのSan JoseのAtmel Corporationから入手可能なAtmel AVR RISCマイクロコントローラの形態をとり得る。電子モニタリングおよびコントロールシステム14はまた、マイクロコントローラ40のEEPROM部分、または別個の不揮発性コントローラ読出し可能メディアのような持続性メモリ42を含む。
【0026】
マイクロコントローラ40は、センサ44からの入力を受け、アクチュエータ46に出力を供給するように接続されている。入力および/または出力は、デジタル信号および/または、アナログ信号のどちらかの形態をとり得る。燃料電池スタック12が電子モニタリングおよびコントロールシステム14に十分な電力を供給できるまで、再充電可能バッテリー47は、電子モニタリングおよびコントロールシステム14に電力を供給する。マイクロコントローラ40は、燃料電池システムの動作中の電力のスイッチングおよび/または燃料電池の動作中のバッテリー47の再充電のために燃料電池スタック12とバッテリー47との間で選択的に接続可能である。
【0027】
図3は、さらに詳細に燃料電池システム10の様々な要素を示し、図を明瞭にするために図1で省略した様々な他の要素を示している。
【0028】
特に図3を参照すると、燃料電池システム10は、燃料システム50によって燃料(例えば水素)をアノード22に供給している。燃料システム50は、1つ以上の燃料タンク52のような燃料源と、燃料の送達をコントロールするための燃料レギュレーティングシステム54とを含む。燃料タンク52は、水素またはメタノールのような他の燃料を含み得る。あるいは、燃料タンク52は、メタンまたは天然ガスなど再形成されることによって水素が発生し得るプロセス流を表し得る(このような場合における再形成剤は燃料電池システム10で提供されている)。
【0029】
燃料タンク52は、各燃料タンク52からの燃料の流れをコントロールするために燃料タンクバルブ56を含む。燃料タンクバルブ56は、マイクロコントローラ40によって自動的に、かつ/または人間のオペレータによって手動でコントロールされ得る。燃料タンク52は、再充填されてもよいし、使い捨てされてもよい。燃料タンク52は、燃料システム50および/または燃料電池システム10と一体化されてもよいし、または別のユニットの形態をとっても良い。本実施形態において、燃料タンク52は、水素化物貯蔵タンクである。燃料電池スタック12によって生成された熱によって暖められた排出冷気によって加熱することができるように、燃料タンク52は、燃料電池システム10の中に配置される。そのような加熱は、水素化物貯蔵メディアからの水素の放出を容易にする。
【0030】
燃料電池モニタリングおよびコントロールシステム14は、水素濃度センサS5、水素ヒーター電流センサS6および水素センサチェックセンサS11を含む。水素ヒーター電流センサS6は、水素濃度センサS5との一体化されたコンポーネントである水素ヒーター要素をモニタリングするために接続されている電流センサの形態をとり得る。水素センサチェックセンサS11は、水素濃度センサS5が機能しているかどうか判定するために、以下に説明するように、水素濃度センサS5のホイーストンブリッジのポジティブレッグにかかる電圧をモニタリングしている。
【0031】
燃料タンク52は、微粒不純物が燃料レギュレーティングシステム54に入らないことを保証したフィルター60を介して燃料レギュレーティングシステム54と接続されている。燃料レギュレーティングシステム54は、燃料タンク52に残っている燃料の量を示す、燃料タンク52の燃料圧力をモニタリングする圧力センサ62を含む。圧力リリーフバルブ64は、燃料システム50の過剰な圧力を軽減するために自動的に動作する。圧力リリーフバルブ64は、スプリングおよびボールリリーフバルブの形態をとり得る。メインガスバルブソレノイドCS5は、燃料タンク52と燃料レギュレーティングシステム54との間の燃料輸送を供給するためにマイクロコントローラ40からの信号に応答してメインガスバルブ66を開閉する。さらなるソレノイドCS7は、燃料タンクバルブ56を通る流れをコントロールする。水素レギュレータ68は、燃料タンク52からの水素の流れをレギュレーションする。燃料は、スタック12の燃料流注入ポートにつながっている水素注入コンジット69を通って燃料電池アセンブリ16のアノード22に送達される。
【0032】
燃料レギュレーティングシステム54のセンサ44は、燃料電池システム動作を許容限界内に維持するために複数の燃料電池システムの動作パラメータをモニタリングしている。例えば、スタック電圧センサS3は、燃料電池スタック12にかかる総電圧を計測している。パージセル電圧センサS4は、パージセル部分36(図2のカスケード設計における燃料電池アセンブリ16の最終セット19)にかかる電圧をモニタリングしている。電池電圧チェッカーS9は、各燃料電池20にかかる電圧が許容限界内であることを確実にしている。図3において「FCM」と表示したブロック(すなわち燃料電池マイクロコントローラ40)に向けた矢印によって識別されているように、各センサS3、S4、S9は、マイクロコントローラ40に入力を提供している。
【0033】
燃料パージバルブ70は、燃料電池スタック12の燃料流排出ポート35に提供されており、スタック12が動作している場合、通常閉じ位置にある。燃料は、所望の電気化学的反応速度を維持するように必要に応じて燃料電池スタック12に供給される。カスケード流設計のため、動作中にパージセル部分36に、供給燃料流中の不純物(例えばニトロゲン)が溜まりやすい。パージセル部分36の中の不純物の蓄積はパージセル部分36のパフォーマンスを低減させる。パージセル電圧センサS4が、閾値電圧レベルよりパフォーマンスが下がったことを検出した場合に、マイクロコントローラ40は、パージバルブ36を開け、パージセル部分36に溜まり得る不純物および他の無反応コンポーネントを放出する(総称して「パージ放出」と呼ばれる)ように、ソレノイドのようなパージバルブコントローラCS4に信号を送り得る。パージ中のパージバルブ70による水素の排出は、以下に説明するモニタリングおよびコントロールシステム14が破損または故障を引き起こすことを防ぐために制限される。
【0034】
燃料電池システム10は、酸素デリバリーシステム72によって膜電極アセンブリ20のカソード側へ気流の中に酸素を供給する。酸素または空気の源74は、空気タンクまたは周囲の大気の形式を取り得る。フィルター76は、微粒子不純物が酸素デリバリーシステム72に入らないことを保証する。空気圧縮コントローラCS1は、所望の流速で燃料電池スタック12に空気を供給するように空気圧縮器78をコントロールしている。マス空気流センサS8は、燃料電池スタック12に入る空気の流速を計測し、マイクロコントローラ40に入力として値を提供する。湿度変換器80は、イオン変換膜26の湿りを維持するために空気に水蒸気を加える。湿度変換器80は、また電気化学的反応の副産物の水蒸気を除去する。過剰の液体の水は、コンジット81を介して蒸発器58に供給される。
【0035】
燃料電池システム10は燃料電池スタック12からの過剰な熱を除去する。そして、冷却システム82によって燃料タンク52を暖めるために過剰な熱を利用する。冷却システム82は、例えば、燃料電池スタック12のコア温度をモニタリングしているサーミスターのような燃料電池温度センサS1を含む。温度は、マイクロコントローラ40に入力として供給される。例えば、ホールセンサのようなスタック電流センサS2は、燃料電池スタック12を流れる総電流を計測し、マイクロコントローラ40に電流の値を入力として提供する。冷却ファンコントローラCS3は、燃料電池スタック12を冷却するための1つ以上の冷却ファン84の動作をコントロールしている。燃料電池スタック12を通過した後、暖められた冷却空気は、燃料タンク52の周囲を循環する。その後暖められた冷却空気は、蒸発器58を通過する。ソレノイドのような電力リレーコントローラCS6は、マイクロコントローラ40に応答して、燃料電池スタック12を外部電気回路に接続し、外部電気回路から断絶する。パワーダイオード59は、燃料電池システム10に外部負荷からの保護を提供するために、燃料電池システム10に外部負荷からの一方向の絶縁を提供する。バッテリーリレーコントローラCS8は、燃料電池スタック12とバッテリー47との間で燃料電池モニタリングおよびコントロールシステム14を接続および断絶する。
【0036】
燃料電池モニタリングおよびコントロールシステム14(図4に図示)は、燃料電池システム10の周囲をモニタリングするセンサ、およびそれに応じて燃料電池システム10をコントロールするアクチュエータを含む。例えば、水素濃度センサS5(図3に図示)は、燃料電池スタック12の周囲の大気の水素濃度レベルをモニタリングする。水素濃度センサS5は、温度補償され得る水素感知サーミスターを有する加熱要素の形態をとり得る。酸素濃度センサS7(図4に図示)は、燃料電池システム10の周囲の大気の酸素濃度レベルをモニタリングする。例えばデジタルセンサのような大気温度センサS10(図3に図示)は、燃料電池システム10の周囲の大気温度をモニタリングする。
【0037】
図4を参照すると、マイクロコントローラ40は、大気温度、燃料圧力、水素濃度、酸素濃度、燃料電池スタック電流、空気マス流、電池電圧チェック状態、燃料電池スタックにかかる電圧、以下に述べられている様々なセンサからの燃料電池スタックのパージセル部分にかかる電圧のような様々なセンサの計測結果を受信する。マイクロコントローラ40は、空気圧縮器コントローラCS1、冷却ファンコントローラCS3、パージバルブコントローラCS4、メインガスバルブソレノイドCS5、パワー回路レーコントローラCS6、水素タンクバルブソレノイドCS7、およびバッテリーリレーコントローラCS8のような様々なアクチュエータにコントロール信号を提供する。
(燃料電池システム構造配置)
図5〜8は燃料電池システム10のコンポーネントの構造配置を図示している。便宜的に、「上部」、「底」、「上」、「下」および類似の表記は、説明において単に基準の点として用いられ、動作中の図示された燃料電池システム10の概括的な方向と対応しているが、動作中またはそれ以外の状態の燃料電池システム10の方向を限定するように解釈されるべきではない。
【0038】
図5〜7を参照すると、空気圧縮器78および冷却ファン84は、燃料電池スタック12の一方の端部(「空気供給端部」)で一緒にまとめられている。燃料タンク52(図5〜7に図示せず)は、燃料電池スタック12の上部に、長さ方向に沿って燃料電池システム10にマウントすることができる。燃料電池スタック12の上流側の燃料レギュレーティングシステム54のコンポーネントは、概して空気供給端部の反対側のスタック12の端部(「水素供給端部」)に配置される。
【0039】
空気圧縮器78は、空気供給端部において燃料電池スタック12に取外し可能に取付けられた絶縁された筐体700内に収容されている。筐体700は、筐体700へ空気を提供させる、フィルター76でカバーされた空気供給孔702を有する。空気圧縮器78は、容積低圧タイプ圧縮器である。空気圧縮器78は、オペレータによってコントロールできる流速で空気供給コンジット81へ供給空気を伝導するように動作可能である。空気供給コンジット81は、圧縮器筐体700のコンジット孔704を通過し、湿度変換器80の空気供給注入口706と接続される。マスフローセンサS8は、空気圧縮器78の注入口上、好ましくは圧縮器筐体700内に配置される。
【0040】
湿度変換器80は、米国特許第6,106,964号に開示されているタイプのものであってよく、空気供給端部近傍の燃料電池スタック12のある側面にマウントされている。空気供給コンジット81を介して湿度変換器80に入る空気は、湿度を与えられ、その後、湿度変換器80から燃料電池スタック12へと(エンドプレート18bの供給空気注入ポートを介して)排気される。燃料電池スタック12からの排出空気は、エンドプレート18bの排気排出ポートを介して排出され、湿度変換器80へ誘導される。湿度変換器80において排気流の内の水は、供給気流に移される。排気流は、排気排出口712を介して湿度変換器80から放たれ、排気コンジット(図示せず)を介して燃料電池スタック12上方のカバー(図示せず)にマウントされた蒸発装置58(図5〜7で図示せず)へ伝導される。
【0041】
冷却ファン84は、ファン筐体720の中に収容されている。ファン筐体は、燃料電池スタック12の空気供給端部に圧縮器筐体700の下方に取外し可能にマウントされている。ファン筐体720は、冷却ファン84から燃料電池スタック12の底の冷却チャンネルの開口部に冷却空気を誘導しているダクト724を含む。冷却空気は、上方向に燃料電池スタック12を介して(冷却チャンネル32を介して)流れ、燃料電池スタック12の上部の冷却チャンネルの開口部より放出される。動作中に冷却空気によって燃料電池スタック12より取り出された熱は、スタック12の上にスタック12の長さに沿って、直接マウントされる燃料タンク52を暖められるために利用される。暖められた冷却空気のいくらかは、酸化剤供給空気として使われるために圧縮器筐体700の空気供給孔702に再度方向付けられ得る。
【0042】
特に図7を参照すると、マイクロコントローラ40、酸素センサS7、大気温度センサS10がマウントされた回路板38は、マウントブラケット730によって燃料電池スタック12の湿度変換器80と反対側の面にマウントされる。ポジティブ電力またはネガティブ電力供給ライン732、734は、燃料電池スタック12の各端部から伸びており、外部負荷に接続可能である。各電力供給ライン732、734からの導電性ブリードワイヤー736は、スタックパワーイン端子738で回路板38に接続される。この導電性ブリードワイヤー736は、回路板38上のコンポーネントならびに端子739で回路板38に電気的に接続されたセンサ44およびアクチャエーター46に電力を与えるために燃料電池スタック12によって生成された電気のいくらかを伝える。同様にバッテリー47(図5〜7に図示せず)は、バッテリーパワイン端子740で回路板38と電気的に接続されている。バッテリー47は、燃料電池スタック出力がまだ、公称レベルに達していないとき(例えば起動時)に、回路板38のコンポーネント、センサ44およびアクチュエータ46に電力供給している。一旦、燃料電池スタック12が公称動作状況に達すると、燃料電池スタック12はまた、バッテリー47を再充電するように電力供給し得る。
【0043】
全体的には、図5〜7、詳細には、図8を参照すると、ブラケット741が、水素供給端部の燃料電池スタック12上方で燃料タンクバルブコネクター53、水素圧力センサ62、圧力リリーフバルブ64、メインガスバルブ66および水素圧力レギュレータ68をマウントするために水素供給端部に設けられている。適切な圧力レギュレータは、Marshalltown、IowaのFisher Controlsから入手可能なタイプ912圧力レギュレータであり得る。適切な圧力センサは、Dallas、TexasのTexas Instrumentsが供給するトランデューサであり得る。適切な圧力リリーフバルブは、Buffalo Grove、IllinoisのSchraeder−Bridgeportが提供するものであり得る。圧力リリーフバルブ64は、燃料タンク52に提供され、約350psiで開くようにセットされ得る。低圧力リリーフバルブ742は、燃料電池スタック12に提供されている。ブラケット741も、水素濃度センサS5、水素加熱流センサS6および水素センサチェックセンサS11をマウントするために提供される。図6において、ブラケット741は、隠れたラインで透明に示され、S5、S6、およびS11を見ることができる。燃料タンク52は、燃料タンクコネクター53と接続可能である。燃料タンクおよびメインガスバルブ56および66が開けられる場合、水素は燃料供給コンジット69を通って、エンドプレート18aの燃料注入ポートへ(圧力センサ62によってモニタリングされ、そして水素圧力レギュレータ68によって調整可能な)コントロール圧力下で提供される。パージバルブ70は、エンドプレート18bの燃料排出ポートに位置する。
【0044】
燃料電池システム10および燃料タンク52は載荷点744でベース(図示せず)と接続され、燃料電池システムカバー(図示せず)内に収容される。燃料電池スタック12の上部から排出される冷却空気は、このように供給空気注入口702に、または燃料レギュレーティングシステム54を超えて、筐体の冷却空気放出孔にカバーによって誘導される。
【0045】
水素を放出するように設計される、または水素の漏れの危険を表示するコンポーネントが、実際と同様、冷却空気パスに配置する、または冷却空気パスに誘導される放出/リークを有するように、燃料電池システム10は、設計されている。冷却空気パスは、ダクト724、スタック12の冷却空気チャンネルおよびスタック12の上方のシステムカバーの一部によって規定され、冷却空気パスを通過した冷却空気流は、図5、6および7において矢印で示されている。直接冷却空気パス内のコンポーネントには、燃料タンク52、ならびに圧力リリーフバルブ64、メインガスバルブ66、および水素レギュレータ68のような燃料レギュレーティングシステム54のコンポーネントが含まれる。直接冷却空気パス内にないコンポーネントは、冷却空気パスと流動的に接続され、パージコンジット(図示せず)を介してダクト724に接続されたパージバルブ70と、コンジット746を介して燃料レギュレーティングシステム54近傍の排出口に接続される低圧力リリーフバルブ742とを含む。冷却空気ファン84の動作中に、冷却空気流は、図5、6または7で示される矢印の方向で、ダクト724を通りスタック12を過ぎてシステム10の外にリーク/排出水素を運ぶ。水素濃度センサS5は、冷却空気流において運ばれる水素を検知するように冷却空気流においてできるだけ下流に効果的に設置する。水素濃度センサS5は、また燃料レギュレーティングシステム54からの水素のリーク/放出の検知を改良するように燃料レギュレーティングシステム54のコンポーネント近傍に設置される。
(動作の例示的方法)
燃料電池システム10は、マイクロコントローラ40がいずれの操作またはタスクを実行するか決定し得、燃料電池システム動作パラメータの様々な読み出し、または、計測結果に対するマイクロコントローラ40の応答を決定し得る複数の動作状態を利用し得る。マイクロコントローラ40は、マイクロコントローラ40のオンチップフラッシュメモリあるいは他のコントローラ読み出し可能メモリ内にプログラムされ、そこから実行され得るソフトウ空気を実行する。特に、燃料電池システム10は、スタンバイ状態、起動状態、運転状態、警告状態、機能停止状態および停止状態を利用し得る。
【0046】
スタンバイ状態において、燃料電池スタック12は動作しておらず、マイクロコントローラ40は、起動信号のスタートラインをモニタリングしている。例えば、オペレータがスタートボタンまたはスイッチ(図示せず)をアクティブにすることは、スタートラインで起動信号を生成し得る。
【0047】
起動状態において、マイクロコントローラ40は、自身を初期化し、全てのアクチュエータおよびコントロールデバイスを適切な初期化状態にし、シリアルインターフェイスを有効にし、ウォッチドッグタイマーをスタートし、全てのシステムおよびコンポーネントが動作することを保証するために一連のチェックを行う。チェックの結果が満足できる場合は、マイクロコントローラ40は、外部負荷を接続させ、運転状態に入る。満足しなければ、燃料電池システム10は動作可能にならずに機能停止状態に入る。
【0048】
運転状態において、燃料および酸化剤は、完全に動作可能な燃料電池スタック12に供給される。マイクロコントローラ40は、計測された動作パラメータを基に、燃料電池システム10のパフォーマンスをモニタリングし、上記の様々なアクチュエータを介し様々なシステムをコントロールする。マイクロコントローラ40が、1つ以上の動作パラメータが警戒範囲外であると判定した場合、マイクロコントローラ40は燃料電池システム10を警戒状態にする。マイクロコントローラ40が、1つ以上の動作パラメータが機能停止の範囲外にあることを決定した場合、マイクロコントローラ40は、燃料電池システムを機能停止状態にする。機能停止範囲外にない場合、燃料電池システム10は、スタートアップラインで停止信号を受信するまで運転状態を続ける。マイクロコントローラ40は、停止信号に応答して、燃料電池システムが少なくとも1分間運転状態にある場合、燃料電池システム10を運転状態から停止状態へ進める。その場合、マイクロコントローラ40は、おおよそ45秒間続く延長されるシャットダウン処理を始める。この間、燃料電池システム12が停止状態にある。燃料電池システム12が少なくとも1分間運転状態にない場合、マイクロコントローラ40は、通常シャットダウン処理を行い、燃料電池システム10は、運転状態から直接スタンバイ状態へ進む。
【0049】
警戒状態においてマイクロコントローラ40は、オペレータに警戒範囲外状態の警告通知を提供し得る。しかし、警戒状態になければ燃料電池システム10は動作し続ける。さらに、マイクロコントローラ40は、持続性メモリ42に警戒範囲外状態に対応する警戒状態コードを書き込み得る。
【0050】
機能停止状態において、マイクロコントローラ40は、直ちに燃料電池システム10の動作を停止し、持続性メモリ42に機能停止状態コードを書き込む。燃料電池システム10は、スタートラインで停止信号を受信するまで機能停止状態のままである。停止信号に応答して、マイクロコントローラ40は、燃料電池システム10のシャットダウンを完了し、燃料電池システム10をスタンバイ状態にする。
【0051】
停止状態において、マイクロコントローラ40は、燃料電池システム10の様々なコンポーネントをシャットダウンし、燃料電池システム10の動作を停止する。一旦、様々なコンポーネントがシャットダウンされると、マイクロコントローラ40は、燃料電池システム10をスタンバイ状態にする。
【0052】
図9Aおよび図9Bは、1つ以上の燃料電池アセンブリ16のパフォーマンスが閾値より下に低下した後に、1つ以上の燃料電池アセンブリ16のパフォーマンスを改良する例示的な蘇生方法100を示す。このようなパフォーマンスの降下は、特に、例えば、燃料電池の1つ以上の反応物チャンネルが浸水している場合、各燃料電池アセンブリ16の電極触媒に到達する反応物の量が不十分であることの結果であり得る。この方法は、ステップ102でスタートする。ステップ104において、マイクロプセセッサ40は、燃料電池アセンブリ16の対にかかる電圧をチェックする。マイクロプロセッサ40は、電池電圧チェッカーS9のデジタル出力に依存し得る。例えば、電池電圧チェッカーS9の出力が「0」またはLOWである場合、マイクロプロセッサ40は、燃料電池アセンブリ16の少なくとも1つの対にかかる電圧が閾値電圧より下であることを決定する。
【0053】
任意の回路が、1つ以上の燃料電池アセンブリ16にかかる電圧が適切であることを決定する一方で、共通して付与された「FUEL CELL ANOMALY DETECTION METHOD AND APPARATUS」と称する米国特許第09/号に開示され、かつ本明細書と同じ出願日である(Atty.Docket第130109.406)電池電圧チェッカーS9は、開示される燃料電池システム10に特に適している。適切な閾値電圧は、燃料電池アセンブリ16の対に対して約0.8Vから0.85Vの間にあり得る。燃料電池アセンブリ16において、対の各燃料電池アセンブリ16は、公称上、アノード22とカソード24との間に約0.6Vの電圧を生成する。
【0054】
ステップ106において、燃料電池アセンブリ16の対にかかる電圧が閾値電圧よりも低くない場合、マイクロプロセッサ40は、ステップ108に制御を進め、第1の待ちループを実行する。燃料電池アセンブリ16の対にかかる電圧が閾値電圧より低い場合、マイクロプロセッサ40は、ステップ110に制御を進める。
【0055】
ステップ110において、マイクロプロセッサ40は、タイマーをリセットする。燃料電池モニタリングおよび制御システム14は、1つ以上のタイマーを利用し得、1つ以上のタイマーは、マイクロプロセッサ40に一体化されてもよいし、または別々のコンポーネントであってもよい。ステップ112において、マイクロプロセッサ40は、タイマーを開始する。ステップ114において、マイクロコントローラ40は、適切な信号をパージバルブコントローラCS4に送信して、パージバルブ70を開き、パージバルブ70は、パージセル部分36に燃料を運ぶ反応物チャンネル30に接続される。ステップ116において、マイクロコントローラ40は、信号を空気圧縮器コントローラCS1に提供して、空気圧縮器78のデューティサイクルを増加させ、空気流を増加させる。デューティサイクルの適切な増加は、標準的な動作デューティサイクルの50%オーバーであってもよい。適切なパージおよび蘇生期間は、約5秒から10秒の間であってもよい。
【0056】
マイクロコントローラ40のパフォーマンスの損失の原因が、パージセル部分36の不純物の蓄積によることを決定する特定の状況においては、マイクロコントローラ40のみが、燃料電池スタック12を流れる空気流の速度を増加させることなく、燃料パージバルブ70を開くことができる。別の実施形態では、マイクロコントローラ40のみが、パージバルブ70を開くことなく、燃料電池スタック12を通る空気流の速度を増加させる。ここで、マイクロコントローラ40は、パフォーマンスの損失の原因が、燃料電池アセンブリ16の電極触媒に対する空気の提供が不十分であることによることを決定する。
【0057】
ステップ118において、マイクロコントローラ40は、タイマー読み出しがパージ期間に等しい、またはそれよりも長いかどうかを判定する。マイクロコントローラ40は、タイマー読み出しがパージ期間よりも長くも等しくもない場合に、ステップ120へ制御を進め、第2の待ちループを実行する。マイクロコントローラ40は、タイマー読み出しがパージ期間よりも長いか、または等しい場合に、ステップ122へ制御を進める。
【0058】
ステップ122において、マイクロコントローラ40は、適切な信号を空気圧縮器コントローラCS1に送信して、空気圧縮器78のデューティサイクルを低下させ、空気流を減少させる。ステップ124において、マイクロコントローラ40は、適切な信号をパージバルブコントローラCS4に送信して、パージバルブ70を閉じ、蘇生手続きを終了する。
【0059】
ステップ126において、マイクロコントローラ40は、内部蘇生手続きのための準備の際に、タイマーをリセットする。内部蘇生期間は、規定された期間であり、蘇生ステップの適用の直後である。蘇生ステップの間、蘇生によるパフォーマンスの回復の連続的試みが阻止される。適切な内部蘇生期間は、約20秒であってもよい。ステップ128において、マイクロコントローラ40は、タイマーを開始する。
【0060】
ステップ130において、マイクロプロセッサ40は、ステップ104と同様の形式で、燃料電池対にかかる電圧をチェックする。ステップ132において、マイクロコントローラ40は、ステップ134に制御を進め、機能停止状態に入り、内部蘇生期間において燃料電池の対にかかる電圧が閾値電圧よりも低い場合に(閾値電圧は、ステップ106において利用された閾値電圧と同じであってもよいし、異なっていてもよい)、燃料電池スタック12の動作を停止させ、ステップ136の蘇生方法100を終了する。この状況は、再スタート可能なエラーを構成し、そのため、マイクロプロセッサ40は、非再スタート可能な状態フラグをセットしない。燃料電池アセンブリ16の対にかかる電圧がステップ132の閾値電圧よりも低くない場合、マイクロプロセッサ40は、ステップ138に制御を進める。
【0061】
ステップ138において、マイクロプロセッサ40は、タイマー読み出しが内部蘇生期間に等しいか、またはそれよりも長いかどうかを判定する。マイクロプロセッサ40は、タイマー読み出しが内部蘇生期間に等しいか、または長い場合に、ステップ136に制御を進める。マイクロプロセッサ40は、タイマー読み出しが内部蘇生期間よりも長くも等しくもない場合に、ステップ140に制御を進め、第3の待ちループを実行する。内部蘇生期間が完了した後に、マイクロコントローラは、前回の状態に戻り、かつ必要とされる時に、さらなる蘇生ステップを実行し得る。
【0062】
上述の蘇生方法は、様々な電力出力または負荷設定において動作可能な燃料電池システムにおいて実行され得る。燃料電池システム10は、少数の低電力電気デバイスが燃料電池システムに接続され、かつそこから電力を引き出す時、あるいは燃料電池システムがアイドリング中であるときに、例えば、図示されるシステム10については15Aより下の「低負荷」で動作可能であり得る。低負荷で動作している時、所望の化学量論(通常は約2.0)を維持するために必要とされる酸化剤空気流速度は、カソードにおける水の堆積を除去するために不十分であってもよく、最終的に、システム10の1つ以上の燃料電池アセンブリのカソードの浸水が発生し得る。低負荷動作の間のカソードの浸水と関連する問題を防止する、または少なくとも低減するために、蘇生方法は、低負荷動作のための水の管理ストラテジーの一部として断続的な間隔で適用され得る。これに関連して、燃料電池システムが低負荷条件(例えば、閾値電力出力より下)の下に動作している時、酸化剤空気流速度は、カソードにおける過剰の水を除去するために断続的かつ一時的に増加し得(通常、公称値より上の化学量論を増加させる)、選択的に燃料パージバルブ(存在する場合)は、断続的かつ一時的に開かれ得る。このように、この蘇生方法は、電力出力が閾値レベルより下にある時、かつ電力電圧チェッカーS9が燃料電池対が電圧閾値より下に低下していることを検出するときはいつでも、規定された時間間隔で実行され得る。この閾値は、カソードの浸水を被る燃料電池対の電圧に対応し得る。
【0063】
時間蘇生ステップの間の適切な間隔、および蘇生ステップの適切な期間を決定するテストが、燃料電池スタック12上で実行された。適切な周波数を決定するために、マイクロコントローラ40は、モニタリングされる電池対の電池電圧がスタックの電池対の平均電圧の75%より下に低下した時はいつでも、蘇生ステップをトリガーするようにプログラムされた。蘇生ステップ間の最小、最大、および平均時間が、計測された。テストは、1Aから15Aの間の負荷に対して処理された。公称空気流の速度は、2.0の化学量論を提供するように、特定の燃料電池システム10の空気圧縮器により生成され得る最小空気流速度を反映する16slpmの最小の公称空気流速度によってセットされた。
【0064】
テストデータは、重要なカソードの浸水が15Aより大きい、または5Aより下の負荷に対して発生しないことを示した。5Aより小さい場合、燃料電池スタック12は、おそらく圧縮器が16slpmより下の空気流速度を提供することができないことの結果である過剰な酸化剤の流れにより、脱水を経験した。5Aから15Aの負荷に対して、30A(46slmp)で2.0の化学量論と等価な流速度までの10秒間の酸化剤の空気流速度の増加は、これらの蘇生ステップの間の10秒の間隔により、低負荷(5Aから15Aの間)の燃料電池のパフォーマンスを改良することが分かった。
【0065】
付加的に、または追加として、蘇生ステップは、低電圧状態が燃料電圧チェッカーS9により検出された時はいつでも実行され得る。
【0066】
本発明の特定の実施形態および例が例示の目的で記載されたが、様々な同等の改変は、当業者に認められるように本発明の意図および範囲から逸脱することなくなされ得る。ここで提供された発明の教示は、他の燃料電池システムに適用され得、必ずしも上述されたPME燃料電池システムでなくてもよい。
【0067】
米国特許出願第09/916,241号は、FUEL CELL AMBIENT ENVIRONMENT MONITORING AND CONTROL APPARATUS AND METHOD(Atty.Docket No.130109.404)と題されており、第09/916,117号は、FUEL CELL CONTROLLER SELF INSPECTION(Atty.Docket No.130109.405)と題されており、第09/916,115号は、FUEL CELL ANOMALY DETECTION METHOD AND APPARATUS(Atty.Docket No.130109.406)と題されており、第09/916,211号は、FUEL CELL PURGING METHOD AND APPARATUS(Atty.Docket No.130109.407)と題されており、第09/916,240号は、FUEL CELL SYSTEM METHOD,APPARATUS AND SCHDULING(Atty.Docket No.130109.409)と題されており、第09/916,239号は、FUEL CELL SYSTEM AUTOMATIC POWER SWITCHING METHOD AND APPARATUS(Atty.Docket No.130109.421)と題されており、第09/916,118号は、PRODUCT WATER PUMP FOR FUEL CELL SYSTEM(Atty.Docket No.130109.427)と題されており、第09/916,212号は、FUEL CELL SYSTEM HAVING A HYDROGEN SENSOR(Atty.Docket No.130109.429)と題されており、全て2001年7月25日に出願されており、その全体を本発明において参照として援用する。上述され、本発明において参照として援用された出願および特許における様々な実施形態は、さらなる実施形態の提供するために組み合わせられ得る。述べられた方法は、いくつかの動作を省略し、他の動作を加え得る。発明の進歩を達成するように、図示されたものと異なる順序で動作を実施し得る。
【0068】
これらならびに他の変更は、詳細な説明上の観点から本発明に対して得る。概して、以下の特許請求の範囲における用いられる専門用語は、明細書に記載された特定の実施形態に本発明を限定するように解釈されるべきではない。しかし、特許請求の範囲に従って動作する全ての燃料電池システム、コントローラ、プロセッサ、アクチュエータおよびセンサを含むと解釈されるべきである。したがって、本発明は、開示されるものに限定されず、しかし、代わりにその範囲は、添付の特許請求の範囲によって完全に決定される。
【図面の簡単な説明】
【0069】
【図1】図1は、燃料電池スタックを含む燃料電池システムと燃料電池モニタリングおよびコントロールシステムを含む制御電子機器との等大、部分的に拡大した図である。
【図2】図2は、図1の燃料電池システムのカスケード燃料電池スタックを通る燃料のフローを表す概略図である。
【図3】図3は、図1の燃料電池モニタリングおよびコントロールシステムの一部の概略図である。
【図4】図4は、燃料電池スタックとバッテリーとの間に選択的に接続される燃料電池マイクロコントローラを備える図3の燃料電池モニタリングおよびコントロールシステムの追加された部分の概略図である。
【図5】図5は、図1の燃料電池システムの様々なコンポーネントの構造配置の右上からの等大図である。
【図6】図6は、カバーを取外した図5の燃料電池システムの様々なコンポーネントの構造配置の右上からの等大図である。
【図7】図7は、図5の燃料電池システムの様々なコンポーネントの構造配置の左上からの等大図である。
【図8】図8は、図5の燃料電池システムの圧力レギュレータの一部分の右上からの等大図である。
【図9A】図9Aは、図9Bと組み合わせて、低電圧状態を検出し、燃料電池を蘇生させるステップを含む、図1および2の燃料電池システムの動作方法を示すフローチャートである。
【図9B】図9Bは、図9Aと組み合わせて、低電圧状態を検出し、燃料電池を蘇生させるステップを含む、図1および2の燃料電池システムの動作方法を示すフローチャートである。
Claims (36)
- 燃料電池システムであって、
複数の燃料電池、該複数の燃料電池を介して燃料流を導くための燃料の通路、および該複数の燃料電池を介して酸化剤流を導くための酸化剤の通路を備える、燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの少なくとも1つの燃料電池のパフォーマンスが規定された閾値の値より下に低下した場合、蘇生期間に、該各酸化剤の通路または燃料の通路を介する該酸化剤または燃料反応物流の流速の少なくとも一方を一時的に増加させるように構成されたコントローラと
を備える、燃料電池システム。 - 前記コントローラは、前記燃料電池スタックの少なくとも1つの燃料電池のパフォーマンスが規定された閾値の値より下に低下した場合、蘇生期間に、前記酸化剤の通路を介する前記酸化剤流の流速を一時的に増加させるように構成された、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料の通路に接続されたパージバルブをさらに備え、前記コントローラは、該パージバルブに接続され、かつ前記燃料電池スタックの少なくとも1つの燃料電池のパフォーマンスが前記規定された閾値の値より下に低下した場合、パージ期間に、該パージ部バルブを開くように構成された、請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池スタックの燃料電池の少なくとも1つの対にかかる電圧をモニタリングするセンサをさらに備え、前記コントローラは、燃料電池のモニタリングされる対にかかる該電池電圧が閾値電圧よりも小さくなる場合、前記パージ期間には、前記パージバルブを開き、前記蘇生期間には、該燃料電池スタックの前記酸化剤の通路を介して前記酸化剤流の流速を増加させるように構成された、請求項3に記載の燃料電池システム。
- 前記酸化剤の通路を介して酸化剤の空気を送達し、該酸化剤の通路により制御するために前記コントローラに接続された該酸化剤の通路と流動的につながる空気圧縮器
をさらに備える、請求項4に記載の燃料電池システム。 - 前記コントローラは、前記パージバルブが開いている間に、前記空気流の速度を増加させるように構成された、請求項5に記載の燃料電池システム。
- 前記酸化剤の通路を介して酸化剤の空気を送達し、該酸化剤の通路により制御するために前記コントローラに接続された該酸化剤の通路と流動的につながる空気圧縮器であって、該コントローラは、約50パーセントまで前記空気圧縮器のデューティサイクルを増加させることによって、該酸化物流の流速を一時的に増大させるように構成された、空気圧縮器
をさらに備える、請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記酸化剤の通路を介して酸化剤の空気を送達し、該酸化剤の通路により制御するために前記コントローラに接続された該酸化剤の通路と流動的につながる空気圧縮器であって、該コントローラは、約5秒の蘇生期間に、約50パーセントまで該空気圧縮器のデューティサイクルを増加させることによって、該酸化物空気流を一時的に増加させるように構成された、請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記コントローラは、前記蘇生期間の直後の内部蘇生期間に、前記反応物流の流速を回復し、かつ該内部蘇生期間に、前記燃料電池スタックの少なくとも1つの燃料電池のパフォーマンスが規定された閾値の値より下である場合、燃料電池動作をシャットダウンするようにさらに構成された、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記パージ期間および前記蘇生期間は同じであり、前記コントローラは、該パージ期間の直後の内部蘇生期間に、前記パージバルブを閉じ、かつ内部蘇生期間に、前記燃料電池スタックの少なくとも1つの燃料電池が規定された閾値電圧より低くなる場合に、燃料電池動作をシャットダウンするように構成される、請求項3に記載の燃料電池システム。
- 燃料電池アセンブリとともに利用する蘇生システムであって、
燃料電池スタックの燃料の通路に接続可能なパージバルブと、
該燃料電池スタックを介した酸化物流の流れを提供する、該燃料電池スタックの酸化剤の通路に接続可能な酸化剤流デバイスと、
該パージバルブおよび該酸化剤流デバイスに接続され、かつ該燃料電池スタックの少なくとも1つの燃料電池のパフォーマンスが規定された閾値の値より下になる場合、パージ期間には、該パージバルブを開き、蘇生期間には、該スタックを介した該酸化剤流デバイスのソースからの該酸化剤流の流速を増加させるように構成された、コントローラと
を備える、蘇生システム。 - 前記燃料電池スタックの燃料電池の少なくとも1つの対にかかる電圧をモニタリングするセンサをさらに備え、前記コントローラは、燃料電池のモニタリングされる対にかかる該電池電圧が規定された閾値電圧より小さくなる場合、パージ期間には、前記パージバルブを開き、蘇生期間には、該スタックを介した酸化剤流の流速を増加させるように構成された、請求項11に記載の蘇生システム。
- 前記酸化剤流デバイスは、制御するために前記コントローラに接続された該空気圧縮器を備える、請求項12に記載の蘇生システム。
- 前記コントローラは、前記バルブが開いている間に、前記酸化物の流速を増加させるように構成される、請求項12に記載の蘇生システム。
- 前記酸化物流デバイスは、空気圧縮器を備え、前記コントローラは、約50パーセントまで該空気圧縮器のデューティサイクルを増加させることによって、空気流の速度を増加させるように構成された、請求項12に記載の蘇生システム。
- 前記酸化剤流デバイスは、空気圧縮器を備え、前記コントローラは、約5秒の蘇生期間に、約50パーセントまで空気圧縮器のデューティサイクルを増加させることによって、空気流の速度を増加させる、請求項12に記載の蘇生システム。
- 前記コントローラは、前記パージ期間の直後の内部蘇生期間に、前記パージバルブを閉じるようにさらに構成された、請求項12に記載の蘇生システム。
- 前記コントローラは、前記パージ期間の直後の内部蘇生期間に、前記パージバルブを閉じ、かつ該内部蘇生期間に、前記燃料電池スタックの少なくとも1つの燃料電池のパフォーマンスが規定された閾値の値より下になる場合、燃料電池動作をシャットダウンするようにさらに構成された、請求項12に記載の蘇生システム。
- 燃料電池システムを動作させる方法であって、
(a)燃料電池スタックの少なくとも1つの燃料電池のパフォーマンスを示すパラメータをモニタリングするステップと、
(b)該少なくとも1つの燃料電池のパフォーマンスが規定された閾値パフォーマンス値より下になる場合、該燃料電池スタックの反応物の通路を通る少なくとも1つの反応物流の流速を一時的に増加させるステップと
を包含する、方法。 - 前記反応物流は、酸化剤流である、請求項19に記載の方法。
- 前記酸化剤流の流速は、前記モニタリングされるパラメータの値が規定された範囲外にある場合に、一時的に増加する、請求項20に記載の方法。
- 前記ステップ(b)は、前記酸化剤の化学量論を一時的に増加させるステップを包含する、請求項20に記載の方法。
- (c)少なくとも1つの燃料電池のパフォーマンスが前記規定された閾値パフォーマンスの値より下である場合、前記燃料電池スタックの燃料の通路を介して燃料流の流速を増加させるステップ
をさらに包含する、請求項20に記載の方法。 - 前記ステップ(a)において、前記燃料電池スタックの燃料電池の対にかかる前記電圧がモニタリングされ、前記ステップ(b)および(c)において、該燃料電池スタックの燃料電池の少なくとも1つの対にかかる該電圧が規定された閾値電圧よりも低い場合に、前記燃料および酸化剤流の流速が増加する、請求項23に記載の方法。
- 前記燃料電池スタックの酸化剤の通路を介して前記酸化剤流の流速を増加させるステップは、約50パーセントまで該酸化剤の通路に接続された空気圧縮器のデューティサイクルを増加させるステップを包含する、請求項20に記載の方法。
- 前記燃料電池スタックの酸化剤の通路を介して前記酸化剤流の流速を増加させるステップは、約5秒の蘇生期間に、約50パーセントまで該酸化剤の通路に接続された空気圧縮器のデューティサイクルを増加させるステップを包含する、請求項20に記載の方法。
- (c)前記燃料電池スタックの少なくとも1つの燃料電池にかかる前記電圧が規定された閾値電圧よりも低くなる場合、パージ期間に、該燃料電池スタックの燃料の通路に接続されたパージバルブを開くステップ
をさらに包含する、請求項20に記載の方法。 - 前記パージ期間の直後の内部蘇生期間に、燃料電池の少なくとも1つの対にかかる電圧が規定された閾値電圧よりも低くなる場合、燃料電池動作を停止するステップ
をさらに包含する、請求項27に記載の方法。 - 前記燃料電池スタックの酸化剤の通路を介して前記酸化剤流の流速を増加させるステップは、前記パージバルブが開いている間に前記酸化剤の通路に接続された空気圧縮器のデューティサイクルを増加させるステップを包含する、請求項27に記載の方法。
- 前記ステップ(b)において、前記酸化剤流の流速が、蘇生期間の間に増加し、前記方法は、該蘇生期間の直後の規定された内部蘇生期間の間に、前記少なくとも1つの燃料電池のパフォーマンスが規定された閾値パフォーマンスの値より下になる場合、燃料電池動作をシャットダウンするステップをさらに包含する、請求項20に記載の方法。
- (c)前記少なくとも1つの燃料電池のパフォーマンスが規定された閾値パフォーマンスの値よりも下になる場合、パージ期間に、前記燃料電池スタックの燃料の通路に接続されたパージバルブを開くステップと、
(d)該パージ期間の直後の内部蘇生期間に、該パージバルブを閉じるステップと、
(e)該内部蘇生期間に、少なくとも1つの燃料電池の電圧が前記規定された閾値電圧より低くなる場合、燃料電池動作をシャットダウンするステップと
をさらに包含する、請求項20に記載の方法。 - (c)において、前記燃料電池スタックの燃料電池の少なくとも1つの対にかかる前記電圧が規定された閾値電圧よりも低くなる場合、前記パージバルブが開く、請求項31に記載の方法。
- 燃料電池システムを動作させる方法であって、
燃料電池スタックへ該燃料電池スタックの燃料の通路を介して燃料を供給するステップと、
該燃料電池スタックの電力出力に対応する公称空気流の速度で該燃料電池スタックの酸化剤の通路を介して酸化剤流を導くステップと、
該スタックの電力出力が規定された閾値より下にある場合、該酸化剤の空気流の速度を該公称空気流の速度より上に断続的かつ一時的に増加させるステップと
を包含する、方法。 - 前記スタックの電力出力が規定された閾値より下にある場合、前記酸化剤の空気流の速度を前記公称空気流の速度より上に断続的かつ一時的に増加させるステップは、該酸化剤の化学量論を断続的かつ一時的に増加させるステップを包含する、請求項33に記載の方法。
- 前記燃料電池スタックから少なくともいくらかの水をパージするために、前記燃料の通路に接続されたパージバルブを断続的に開くステップ
をさらに包含する、請求項33に記載の方法。 - 前記酸化剤の空気流の速度が、周期的な一定の間隔で増加する、請求項33に記載の方法。
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