JP2004536438A - 燃料電池パージング法およびパージング装置 - Google Patents
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Abstract
燃料電池スタック(12)のパージシステムは、燃料電池スタックのパージ電池部分(36)にかかる電圧に応答して、コントローラからの制御信号に応答して、この燃料電池スタックからの排出をレギュレートするためのパージバルブ(70)を備える。このパージバルブは、パージ電池部分にかかる電圧が、スタックにおける1つ以上の電池の現在の電圧に基づいて、閾値電圧の所定のパーセンテージ未満に降下した場合、このパージバルブは開かれる。閾値電圧は、この燃料電池スタックの燃料電池のいくつか、またはすべての平均電池電圧と等しくなり得る。パージは、制御されたパージ継続時間のパージバルブの1つ以上を連続的に開く工程を包含し得る。パージ継続時間は、スタックを通る瞬間的電流の流れに依存して調整され得る。
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性能のため、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ー、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】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従って、燃料電池システムの改善された制御システム、およびこのような燃料電池システムを制御する方法が必要とされる。
【0006】
特定の燃料電池は、一方または両方の反応物に対してデッドエンドモードで動作するように設計される。この状態で、用いられる反応物は、通常、実質的に純粋である。非反応成分の蓄積を周期的に抜くための反応物出口ポートに、通常、パージバルブ(普通、デッドエンドオペレーションで閉じられる)が提供される。従来の燃料電池パージシステムにおいて、パージバルブは、例えば、手動で、または、規則的に固定された時間間隔で開かれる。あるいは、例えば、スタックにおける1つ以上の電池の電圧または電力出力が、予め決定された閾値未満に降下した場合(例えば、英国特許第1223941号を参照)、または、電力出力の予め決定された低下が起きた場合(例えば、米国特許第3,553,026号を参照)、または燃料電池が事前選択された数のアンペア時を使い果たした後(米国特許第3,697,325号)にパージが開始される。燃料電池スタックを通る反応性流路が構成され得、これにより、非反応成分は、最初に、スタックの1つまたはいくつかの燃料電池に蓄積する傾向を示す。本発明は、このようなパージバルブの動作を制御する改善されたシステムおよび方法、ならびに、デッドエンド燃料セルスタックの動作に関する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
(発明の要旨)
第1の局面において、燃料電池スタックのパージシステムは、燃料電池スタックからの流れをレギュレートするパージバルブと、パージがトリガされるべきであると決定された場合(すなわち、パージ条件が存在する場合)、パージバルブを開閉するように結合されたアクチュエータとを備える。この実施形態において、スタックのパージ電池部分における1つ以上の燃料電池の性能を示すパラメータを、スタックにおける1つ以上の電池の性能を示すパラメータと比較することによってパージ条件の存在が決定される。このパージ条件の存在を決定するための比較を用いることによって、パージのトリガリングは、固定した閾値(例えば、スタックの1つ以上の電池の性能の所定の絶対閾値電圧または絶対値の低下)と比較して対処されることのない、燃料電池スタックの動作および性能全体に影響を及ぼす動作および環境の変化を考慮している。例えば、スタックにおける1つ以上の電池の実際の電圧に基づいて、燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる電圧が所定の閾値電圧未満である場合、パージバルブを開くためにアクチュエータが結合され得る。システムは、パージ電池部分にかかる電圧を決定するために、燃料電池スタックのパージ電池部分を形成する、少なくとも1つの燃料電池にわたって結合されたパージ電池電圧センサと、燃料電池にかかる電圧とを決定するために、燃料電池スタックにおける少なくとも2つの燃料電池にわたって結合された燃料電池電圧センサとを備え得る。燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均電圧が、少なくとも2つの燃料電池にわたって測定された閾値電圧の所定の第1のパーセンテージ未満に降下した場合、パージバルブを開くために、アクチュエータに制御信号を供給するためにコントローラが結合され得る。
【0008】
別の局面において、燃料電池システムは、複数の燃料電池を有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックからのパージ放電をレギュレートするパージバルブと、パージバルブを開閉するように結合されたアクチュエータと、燃料電池スタックパージ条件が存在する場合、パルスパージシーケンスにおいて、パージバルブを開閉するアクチュエータを制御するように結合されたコントローラとを備える。パルスパージシーケンスは、パージ継続時間の間、バルブを開いて、その後、保持時間の間、パージバルブを閉じる工程と、バルブの開閉を少なくとも1回繰り返して、その後、任意の後続パージの前に、パージ間継続時間の間、バルブを閉じた状態に保つ工程とを包含する。パージ間継続時間は、通常、パルスパージシーケンスにおける少なくとも1つのパージ継続時間および保持期間の各々よりも長い。このパルスパージの実施形態において、パージは、パージ条件が存在するかどうかを決定するために、従来の手段か、または上述の方法によって開始され得る。
【0009】
別の局面において、燃料電池システムは、複数の燃料電池を有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックからのパージ放電をレギュレートするパージバルブと、パージバルブを開閉するように結合されたアクチュエータと、燃料電池スタックのパージ条件が存在する場合、パージバルブを開くためにアクチュエータに制御信号を供給するように結合されたコントローラとを備え、このコントローラは、燃料電池スタックを通る電流の流れに基づいて決定されたパージ継続時間の後、パージバルブを閉じるように構成される。この実施形態において、パージは、パージ条件が存在するかどうかを決定するために、従来の手段か、または、上述の方法によって開始され得る。
【0010】
上述の局面において、コントローラは、例えば、燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧が、燃料電池スタックの少なくとも一部分にかかる平均燃料電池電圧のパーセンテージを超過するかどうかを決定することによって、スタックパージ条件が存在し、パージが停止されるべきかどうかを決定するように構成され得る。
【0011】
パルスパージシーケンスを用いて燃料電池パージシステムを動作する方法は、燃料電池スタックパージ条件が存在し、かつ、パルスシーケンスにおいて、パージバルブを動作させることを決定する工程を包含する。このシーケンスは、パージ継続時間のバルブを開いて、その後、保持期間の間、パージを閉じる工程と、バルブの開閉を少なくとも1回繰返して、その後、任意のシーケンスパージの前に、パージ間継続時間の間、バルブを閉じた状態で保つ工程とを包含し得る。このパルスパージ実施形態において、パージは、パージ状態が存在するかどうかを決定するために、従来の手段によってか、または、上述の方法によってトリガされ得る。
【0012】
燃料電池パージシステムを動作させる別の方法は、スタックのパージ電池部分における1つ以上の燃料電池の性能を示すモニタリングされたパラメータを、スタックにおける1つ以上の他の電池の性能を示すモニタリングされたパラメータと比較する工程を包含する。例えば、この方法は、燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧をモニタリングする工程と、燃料電池スタックの少なくとも一部分にかかる平均燃料電池電圧をモニタリングする工程と、平均パージ電池電圧が平均燃料電池電圧の第1の所定のパーセンテージ未満に降下した場合、パージバルブを開く工程とを包含する。この方法は、平均パージ電池電圧が、第1のパーセンテージと同じか、またはこれと異なる平均燃料電池電圧の第2の所定のパーセンテージを超えて上昇した場合、パージバルブを閉じる工程をさらに包含する。
【0013】
別の局面において、燃料電池パージシステムを動作させる方法は、燃料電池スタックを通る電流の流れを決定する工程と、所定の電流の流れに基づいて、パージ継続時間を決定する工程と、使い果たされた反応物ストリーム(depleted reactant stream)を燃料電池スタックから放出するために、燃料電池スタックから燃料電池スタックに結合されたパージバルブを開く工程と、電流の流れに基づいて、決定されたパージ持続時間の間、パージバルブが開かれた後、パージバルブを閉じる工程とを包含する。この実施形態において、パージ条件が存在するかどうかを決定するために、従来の手段によってか、または、上述の方法によって開始され得る。
【0014】
さらに別の局面において、燃料電池システムを動作する方法は、燃料電池スタックのパージ電池部分に結合されたパージバルブを開閉して、燃料電池システムの動作開始時の開始状態の間、スタートアップパージ継続時間中にパージ放電し尽くす工程と、燃料電池システムの動作終了時の停止状態の間、シャットダウンパージ継続時間中にパージバルブを開く工程とを包含する。パージバルブは、パージ条件が存在する場合、燃料電池システムの動作の間、開始状態と停止状態との間のパージサイクルの間、決定されたパージ継続時間中に開かれ得る。
【0015】
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】
【0016】
(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。
【0017】
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。
【0018】
(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。
【0019】
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。
【0020】
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。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。
【0021】
図示された実施形態は、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。
【0022】
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で一時的にパージ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。
【0023】
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。
【0024】
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い数の燃料電池アセンブリを含んでもよい。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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(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か、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電子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。
【0028】
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が燃料電池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。
【0029】
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。
【0030】
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)。
【0031】
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。
【0032】
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の電圧をモニタリングしている。
【0033】
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。水素レギュレーター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。
【0034】
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。
【0035】
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の性能を低減させる。パージセル電圧センサS4が、閾値電圧レベルより性能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が破損または故障を引き起こすことを防ぐために適切に制限される。
【0036】
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。
【0037】
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の周囲を循環して、燃料を暖める。その後暖められた冷却空気は、蒸発器58を通過する。ソレノイド等の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、燃料電池スタックを外部回路に接続し、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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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の上部にある燃料電池システム1に、燃料電池スタック12の長さ方向に沿って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。
【0041】
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、湿度変換器81の上流にある空気供給コンジット81に、好ましくは圧縮器筐体700内に配置される。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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330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およびアクチュエーター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、バッテリーパワーイン端子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。
【0045】
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のInstrumentsが供給するトランス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。
【0046】
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。
【0047】
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。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、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、冷却空気への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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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の性能をモニタリングし、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。1つ以上の動作パラメータが欠陥領域外にある、とマイクロコントローラ40が決定する場合、マイクロコントローラ40は、燃料電池システムを欠陥状態にする。警戒範囲外にない場合、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10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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
図9は、燃料電池システム10の燃料電池スタック12をいつパージするのかを決定する例示的な方法100を示し、ステップ102にて開始する。ステップ104では、マイクロコントローラ40は、燃料電池スタック10にかかる電圧を決定する。マイクロコントローラ40は、スタック電圧センサS3からのスタック電圧計測値を受け取り得る。あるいは、マイクロコントローラ40は、スタック12のより数の少ない燃料電池アセンブリ16にかかる電圧に依存し得る。ステップ106において、マイクロコントローラ40は、燃料電池スタック10にかかる個々の平均の電池電圧を決定する。マイクロコントローラ40は、ステップ104で決定された燃料電池スタック10にかかる電圧を燃料電池スタック12の燃料電池20の数で割り、個々の平均の電池電圧を決定する。
【0055】
ステップ108において、マイクロコントローラ40は、パージ電池部分36にかかる電圧を決定する。マイクロコントローラ40は、パージ電池電圧センサS4から読み出すパージ電池電圧を受取り得る。ステップ110において、マイクロコントローラ40は、パージ電池部分36にかかる平均の1個の電池電圧を、ステップ106において決定された燃料電池スタック12の平均の電池電圧の所定の、または選択されたパーセンテージと比較する。適切なパーセンテージは、約90%であり得る。パージ電池部分36が複数の燃料電池アセンブリ16を備える場合、マイクロコントローラ40は、パージ電池部分36を構成する燃料電池アセンブリにかかる全電圧の平均を決定し得る。従って、マイクロコントローラ40は、パージ電池部分における燃料電池アセンブリ16にかかる平均の電池電圧を、燃料電池スタック12の少なくとも一部分における燃料電池アセンブリ16にかかる平均電池電圧の所定のパーセンテージと比較する(例えば、平均の電池電圧は、スタック全体、パージ電池部分を含まないスタックの残り、スタックにおける1つ以上の電池の平均の電池電圧であり得る)。スタック12の他の燃料電池アセンブリ16にかかる電圧に対する、パージ電池部分36を構成する1つ以上の燃料電池アセンブリ16にかかる電圧の著しい降下は、パージ電池部分36の燃料流路における非反応成分の蓄積を示す。
【0056】
ステップ112において、マイクロコントローラ40は、ステップ114に制御をわたして、パージ電池部分36における平均の電池電圧が、燃料電池スタック12の平均の電池電圧の所定のパーセンテージ未満に降下した場合、燃料スタック12のパージを実行する。パージ電池における平均の電池電圧が、燃料電池スタック12の平均の電池電圧の所定のパーセンテージ未満でない場合、マイクロコントローラ40は、ステップ104に制御を戻して、電圧のモニタリングを継続する。
【0057】
組み合わされた図10Aおよび図10Bは、ステップ202にて開始して、燃料電池スタック12をパージする例示的方法200を示す。
【0058】
選択的ステップ204において、マイクロコントローラ40は、燃料電池スタック12を通る電流を決定する。マイクロコントローラ40は、燃料スタック電流センサS2からの瞬間的スタック電流測定値を受け取り得る。選択的ステップ206において、マイクロコントローラ40は、決定された瞬間的な全スタック電流に基づいて、パージ継続時間を決定し得る。マイクロコントローラ40は、例えば、永続的メモリ42に格納されたルックアップテーブルに依存し得るか、または、経験的に導出された式に基づいてパージ継続時間を計算し得る。図示されたシステム10に関する、好適な、経験的に導出された関係は、2つの短いパージを含む「パルスパージ」を用い、パージ継続時間T1の各々は、第1のパージと第2のパージとの間の閉じられた(「保持」)期間(例えば、0.5秒)である。さらに、この好適な、例示的に導出された関係は、別のパージシーケンスが許可される前に、第2のパージに続くパージ間継続時間T2を用いる(T2は、保持期間よりも大きい)。T1およびT2は、0amps〜55ampsの間の平均スタック電流の線形関数であり得る。0ampsの平均スタック電流で、T1は、約0.5秒と等しく、T2は、約6秒と等しい。55amps以上の平均スタック電流では、T1は、約1.5秒と等しく、T2は、約2.5秒と等しい。
【0059】
あるいは、マイクロコントローラ40は、所定のパージ持続時間を用い得、これは、燃料電池システム10の構造および動作を簡易化し得るが、パージは、パージ持続時間が、測定されたスタック電流に基づくパージのように効果的であり得ない。この代替的実施形態において、マイクロコントローラ40は、長さが変動し得る1つ以上の所定のパージ継続時間に依存し得る。
【0060】
あるいは、または、さらに、マイクロコントローラ40は、所定のパージ継続時間と、平均スタック電流測定値に基づいて決定されたパージ継続時間との長い方を用いる。これは、少なくとも最小のパージ継続時間でパージを実行することを可能にする。
【0061】
さらなる代替的実施形態において、マイクロコントローラ40は、パージ電池部分36にかかる平均の電池電圧および燃料電池スタック12にかかる平均電池電圧をモニタリングし得、パージ電池部分36にかかる平均電池電圧が燃料電池スタック12の平均電池電圧の所定のパーセンテージを超過した場合、パージバルブ70を閉じる。所定のパーセンテージは、パージ開始条件として用いられるパーセンテージと同じであり得るか、または、これと異なり得る。この代替的実施形態は、パージ継続時間が許容可能な改善を達成するために必要とされる継続時間に制限されることを可能にする。最大パージ継続時間は、定義され得、これにより、パージ電池部分36にかかる平均電池電圧が、最大パージ継続時間の間、燃料電池スタック12の平均電池電圧の所定のパーセンテージを超過しなかった場合、パージバルブは閉じられ、適宜、他の制御ステップが開始される。
【0062】
パージトリガリング条件および/またはパージ継続時間の決定において、スタックの平均電池電圧の閾値パーセンテージを用いることは、燃料電池システム10が、燃料電池システムの動作および性能全体に影響を及ぼし、かつ、所定の絶対値閾値電圧等の固定値が適応しない、動作および環境の変化に適応することを保証する。
【0063】
燃料電池システム10は、さらに、種々の動作状態の間、異なった所定のパージ継続時間を用い得、燃料電池システム10要件に、パージをより正確に整合させ得る。例えば、燃料電池セル10は、開始状態で動作する間、スタートアップパージ継続時間を、および、停止状態で動作する間、シャットダウンパージ継続時間を用い得る。さらに、燃料電池システム10は、スタック電流に基づいてか、または、走行状態および/または警戒状態の間、異なった所定のパージ継続時間を用いてパージ継続時間を計算し得る。
【0064】
さらに、燃料電池システム10は、蘇生サイクルの間の燃料電池スタック12をパージする間、蘇生パージ継続時間を用い得る。同一人に譲渡された、「FUEL CELL RESUSCITATION METHOD AND APPARATUS」と称される、米国特許出願シリアル番号第09/ (アトーニードケット番号第130109.408号)に詳細に記載されるように、蘇生は、燃料電池スタック12を通る酸化剤の流速が、特定の状況において、燃料電池スタック12の性能を改善し得る蘇生継続時間の間、一時的に増加する手順である。
【0065】
ステップ208において、マイクロコントローラ40は、タイマーをリセットし、ステップ210においてタイマーを開始させる。ステップ212において、マイクロコントローラ40は、パージバルブ70を開くために、信号をパージバルブコントローラCS4に送る。
【0066】
ステップ214において、マイクロコントローラ40は、タイマーがパージ継続時間T1と等しいか、または、これよりも大きくない場合、第1の待ちループ216を実行する。ステップ214において、マイクロコントローラ40は、タイマーがパージ継続時間T1と等しいか、または、これよりも大きい場合、ステップ218に制御をわたす。
【0067】
ステップ218において、マイクロコントローラ40は、パージバルブコントローラCS4に信号を送信して、パージバルブ70を閉じる。
【0068】
ステップ220において、マイクロコントローラ40は、パージバルブ70の連続的にパルスを開く間の保持機関の間、タイマーをリセットして、ステップ222においてタイマーをスタートさせる。上述の実施形態の適切な保持期間は、約0.5秒である。ステップ224において、タイマーが、保持期間よりも大きくない場合、マイクロコントローラ40は、第2の待ちループ226を実行する。ステップ220において、マイクロコントローラ40は、タイマーが、保持期間よりも大きいか、またはこれと等しい場合、ステップ228に制御をわたす。
【0069】
ステップ228において、マイクロコントローラは、パージ継続時間T1の第2のパージパルスの間、タイマーをリセットして、ステップ230においてタイマーをスタートさせる。ステップ232において、マイクロコントローラ40は、パージバルブコントローラCS4に信号を送信して、パージバルブ70を開く。ステップ234において、マイクロコントローラ40は、タイマーがパージ継続時間T1と等しくも大きくもない場合、第3の待ちループ236を実行する。ステップ234において、マイクロコントローラは、タイマーが、パージ継続時間T1と等しいか、またはこれよりも大きい場合、ステップ238に制御をわたす。ステップ238において、マイクロコントローラ40は、パージバルブコントローラCS4に信号を送信して、パージバルブ70を閉じる。
【0070】
この実施形態において、燃料電池システムは、「パルス」パージを用い、2つの別個の場合、すなわち、パージ継続時間T1の各々にてパージバルブ70を開く。出願人は、2つ以上のパルス間の短い遅延をともなう、パージバルブ70のこのようなパルス開放を用いて、より良好な結果が達成され得ることを経験的に決定した。これは、本発明を必ずしも限定せず、かつ、このような本発明がパージバルブ70の1回の開放、2つの連続的開放、または、パージバルブ70の2回以上の連続的開放をカバーし得ることが要求される。さらに、単一パルスパージ内の連続的開放は、等しい継続時間T1の間、または、異なった継続時間の間であり得る。
【0071】
ステップ240において、マイクロコントローラ40は、パージ間継続時間T2に入る間、タイマーをリセットして、ステップ242においてタイマーをスタートさせる。上述のように、パージ間継続時間T2は、燃料セルスタック12のパージ完了直後に続く時間であり、この時間の間、マイクロコントローラ40は、パージバルブ70を開かない(蘇生条件等の特定の条件に応答するいくつかの場合を除く)。上述の実施形態について、適切なパージ間期間T2は、約2.5〜6秒の間である。
【0072】
代替的なさらなるステップ244において、同一人に譲渡された、「FUEL CELL RESUSCITATION METHOD AND APPRATUS」と称される米国特許出願シリアル番号第09/ (アトーニードケット番号第130109.408号)に記載された燃料電池蘇生チェックと同様に、マイクロコントローラ40は、燃料電池のペアにかかる電圧をチェックする。燃料電池アセンブリ16の任意のペアにかかる電圧が電池のペアの閾値電圧未満である場合、マイクロコントローラ40は、ステップ250においてパージ法200を終了して蘇生サイクルに入る。燃料電池アセンブリ16の任意のペアにかかる電圧が、電池のペアの閾値電圧未満でない場合、マイクロコントローラ40は、ステップ252においてパージバルブ70が開くことを防止し、タイマーがステップ254におけるパージ間継続時間と等しいか、これよりも大きいかを決定する。タイマーが、パージ間継続時間T2と等しくもなく、これよりも大きくもない場合、マイクロコントローラ40は、第4の待ちループ256を実行する。そうでない場合、マイクロコントローラ40は、ステップ250においてパージ法200を終了する。本明細書中に記載されたパージ技術および装置は、さらに、デッドエンドされ、実質的に純粋な酸化剤ストリームに対して動作する燃料電池システムに適用可能であってもよいし、非反応成分の蓄積を周期的に抜く間、酸化剤チャネルと関連するパージバルブを有してもよい。
【0073】
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。
【0074】
概して、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09/916,213号は、FUEL CELL RESUSCITATION METHOD AND APPARATUS(Atty.Docket No.130109.408)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。
【0075】
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。
【0076】
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、以下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】
【0077】
【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9】燃料電池システムをモニタリングし、かつ、燃料電池スタックをいつパージするかを決定するための動作方法を示すフローチャートである。
【図10A】図10Aは、パージ継続時間の間、燃料電池スタックをパージする方法を示す燃料電池システムの動作方法に関する図10Bと組み合わされたフローチャートである。
【図10B】図10Bは、パージ継続時間の間、燃料電池スタックをパージする方法を示す燃料電池システムの動作方法に関する図10Aと組み合わされた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性能のため、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ー、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】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従って、燃料電池システムの改善された制御システム、およびこのような燃料電池システムを制御する方法が必要とされる。
【0006】
特定の燃料電池は、一方または両方の反応物に対してデッドエンドモードで動作するように設計される。この状態で、用いられる反応物は、通常、実質的に純粋である。非反応成分の蓄積を周期的に抜くための反応物出口ポートに、通常、パージバルブ(普通、デッドエンドオペレーションで閉じられる)が提供される。従来の燃料電池パージシステムにおいて、パージバルブは、例えば、手動で、または、規則的に固定された時間間隔で開かれる。あるいは、例えば、スタックにおける1つ以上の電池の電圧または電力出力が、予め決定された閾値未満に降下した場合(例えば、英国特許第1223941号を参照)、または、電力出力の予め決定された低下が起きた場合(例えば、米国特許第3,553,026号を参照)、または燃料電池が事前選択された数のアンペア時を使い果たした後(米国特許第3,697,325号)にパージが開始される。燃料電池スタックを通る反応性流路が構成され得、これにより、非反応成分は、最初に、スタックの1つまたはいくつかの燃料電池に蓄積する傾向を示す。本発明は、このようなパージバルブの動作を制御する改善されたシステムおよび方法、ならびに、デッドエンド燃料セルスタックの動作に関する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
(発明の要旨)
第1の局面において、燃料電池スタックのパージシステムは、燃料電池スタックからの流れをレギュレートするパージバルブと、パージがトリガされるべきであると決定された場合(すなわち、パージ条件が存在する場合)、パージバルブを開閉するように結合されたアクチュエータとを備える。この実施形態において、スタックのパージ電池部分における1つ以上の燃料電池の性能を示すパラメータを、スタックにおける1つ以上の電池の性能を示すパラメータと比較することによってパージ条件の存在が決定される。このパージ条件の存在を決定するための比較を用いることによって、パージのトリガリングは、固定した閾値(例えば、スタックの1つ以上の電池の性能の所定の絶対閾値電圧または絶対値の低下)と比較して対処されることのない、燃料電池スタックの動作および性能全体に影響を及ぼす動作および環境の変化を考慮している。例えば、スタックにおける1つ以上の電池の実際の電圧に基づいて、燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる電圧が所定の閾値電圧未満である場合、パージバルブを開くためにアクチュエータが結合され得る。システムは、パージ電池部分にかかる電圧を決定するために、燃料電池スタックのパージ電池部分を形成する、少なくとも1つの燃料電池にわたって結合されたパージ電池電圧センサと、燃料電池にかかる電圧とを決定するために、燃料電池スタックにおける少なくとも2つの燃料電池にわたって結合された燃料電池電圧センサとを備え得る。燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均電圧が、少なくとも2つの燃料電池にわたって測定された閾値電圧の所定の第1のパーセンテージ未満に降下した場合、パージバルブを開くために、アクチュエータに制御信号を供給するためにコントローラが結合され得る。
【0008】
別の局面において、燃料電池システムは、複数の燃料電池を有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックからのパージ放電をレギュレートするパージバルブと、パージバルブを開閉するように結合されたアクチュエータと、燃料電池スタックパージ条件が存在する場合、パルスパージシーケンスにおいて、パージバルブを開閉するアクチュエータを制御するように結合されたコントローラとを備える。パルスパージシーケンスは、パージ継続時間の間、バルブを開いて、その後、保持時間の間、パージバルブを閉じる工程と、バルブの開閉を少なくとも1回繰り返して、その後、任意の後続パージの前に、パージ間継続時間の間、バルブを閉じた状態に保つ工程とを包含する。パージ間継続時間は、通常、パルスパージシーケンスにおける少なくとも1つのパージ継続時間および保持期間の各々よりも長い。このパルスパージの実施形態において、パージは、パージ条件が存在するかどうかを決定するために、従来の手段か、または上述の方法によって開始され得る。
【0009】
別の局面において、燃料電池システムは、複数の燃料電池を有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックからのパージ放電をレギュレートするパージバルブと、パージバルブを開閉するように結合されたアクチュエータと、燃料電池スタックのパージ条件が存在する場合、パージバルブを開くためにアクチュエータに制御信号を供給するように結合されたコントローラとを備え、このコントローラは、燃料電池スタックを通る電流の流れに基づいて決定されたパージ継続時間の後、パージバルブを閉じるように構成される。この実施形態において、パージは、パージ条件が存在するかどうかを決定するために、従来の手段か、または、上述の方法によって開始され得る。
【0010】
上述の局面において、コントローラは、例えば、燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧が、燃料電池スタックの少なくとも一部分にかかる平均燃料電池電圧のパーセンテージを超過するかどうかを決定することによって、スタックパージ条件が存在し、パージが停止されるべきかどうかを決定するように構成され得る。
【0011】
パルスパージシーケンスを用いて燃料電池パージシステムを動作する方法は、燃料電池スタックパージ条件が存在し、かつ、パルスシーケンスにおいて、パージバルブを動作させることを決定する工程を包含する。このシーケンスは、パージ継続時間のバルブを開いて、その後、保持期間の間、パージを閉じる工程と、バルブの開閉を少なくとも1回繰返して、その後、任意のシーケンスパージの前に、パージ間継続時間の間、バルブを閉じた状態で保つ工程とを包含し得る。このパルスパージ実施形態において、パージは、パージ状態が存在するかどうかを決定するために、従来の手段によってか、または、上述の方法によってトリガされ得る。
【0012】
燃料電池パージシステムを動作させる別の方法は、スタックのパージ電池部分における1つ以上の燃料電池の性能を示すモニタリングされたパラメータを、スタックにおける1つ以上の他の電池の性能を示すモニタリングされたパラメータと比較する工程を包含する。例えば、この方法は、燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧をモニタリングする工程と、燃料電池スタックの少なくとも一部分にかかる平均燃料電池電圧をモニタリングする工程と、平均パージ電池電圧が平均燃料電池電圧の第1の所定のパーセンテージ未満に降下した場合、パージバルブを開く工程とを包含する。この方法は、平均パージ電池電圧が、第1のパーセンテージと同じか、またはこれと異なる平均燃料電池電圧の第2の所定のパーセンテージを超えて上昇した場合、パージバルブを閉じる工程をさらに包含する。
【0013】
別の局面において、燃料電池パージシステムを動作させる方法は、燃料電池スタックを通る電流の流れを決定する工程と、所定の電流の流れに基づいて、パージ継続時間を決定する工程と、使い果たされた反応物ストリーム(depleted reactant stream)を燃料電池スタックから放出するために、燃料電池スタックから燃料電池スタックに結合されたパージバルブを開く工程と、電流の流れに基づいて、決定されたパージ持続時間の間、パージバルブが開かれた後、パージバルブを閉じる工程とを包含する。この実施形態において、パージ条件が存在するかどうかを決定するために、従来の手段によってか、または、上述の方法によって開始され得る。
【0014】
さらに別の局面において、燃料電池システムを動作する方法は、燃料電池スタックのパージ電池部分に結合されたパージバルブを開閉して、燃料電池システムの動作開始時の開始状態の間、スタートアップパージ継続時間中にパージ放電し尽くす工程と、燃料電池システムの動作終了時の停止状態の間、シャットダウンパージ継続時間中にパージバルブを開く工程とを包含する。パージバルブは、パージ条件が存在する場合、燃料電池システムの動作の間、開始状態と停止状態との間のパージサイクルの間、決定されたパージ継続時間中に開かれ得る。
【0015】
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】
【0016】
(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。
【0017】
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。
【0018】
(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。
【0019】
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。
【0020】
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。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。
【0021】
図示された実施形態は、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。
【0022】
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で一時的にパージ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。
【0023】
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。
【0024】
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い数の燃料電池アセンブリを含んでもよい。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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(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か、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電子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。
【0028】
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が燃料電池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。
【0029】
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。
【0030】
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)。
【0031】
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。
【0032】
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の電圧をモニタリングしている。
【0033】
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。水素レギュレーター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。
【0034】
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。
【0035】
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の性能を低減させる。パージセル電圧センサS4が、閾値電圧レベルより性能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が破損または故障を引き起こすことを防ぐために適切に制限される。
【0036】
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。
【0037】
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の周囲を循環して、燃料を暖める。その後暖められた冷却空気は、蒸発器58を通過する。ソレノイド等の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、燃料電池スタックを外部回路に接続し、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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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の上部にある燃料電池システム1に、燃料電池スタック12の長さ方向に沿って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。
【0041】
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、湿度変換器81の上流にある空気供給コンジット81に、好ましくは圧縮器筐体700内に配置される。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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330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およびアクチュエーター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、バッテリーパワーイン端子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。
【0045】
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のInstrumentsが供給するトランス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。
【0046】
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。
【0047】
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。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、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、冷却空気への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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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の性能をモニタリングし、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。1つ以上の動作パラメータが欠陥領域外にある、とマイクロコントローラ40が決定する場合、マイクロコントローラ40は、燃料電池システムを欠陥状態にする。警戒範囲外にない場合、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10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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
図9は、燃料電池システム10の燃料電池スタック12をいつパージするのかを決定する例示的な方法100を示し、ステップ102にて開始する。ステップ104では、マイクロコントローラ40は、燃料電池スタック10にかかる電圧を決定する。マイクロコントローラ40は、スタック電圧センサS3からのスタック電圧計測値を受け取り得る。あるいは、マイクロコントローラ40は、スタック12のより数の少ない燃料電池アセンブリ16にかかる電圧に依存し得る。ステップ106において、マイクロコントローラ40は、燃料電池スタック10にかかる個々の平均の電池電圧を決定する。マイクロコントローラ40は、ステップ104で決定された燃料電池スタック10にかかる電圧を燃料電池スタック12の燃料電池20の数で割り、個々の平均の電池電圧を決定する。
【0055】
ステップ108において、マイクロコントローラ40は、パージ電池部分36にかかる電圧を決定する。マイクロコントローラ40は、パージ電池電圧センサS4から読み出すパージ電池電圧を受取り得る。ステップ110において、マイクロコントローラ40は、パージ電池部分36にかかる平均の1個の電池電圧を、ステップ106において決定された燃料電池スタック12の平均の電池電圧の所定の、または選択されたパーセンテージと比較する。適切なパーセンテージは、約90%であり得る。パージ電池部分36が複数の燃料電池アセンブリ16を備える場合、マイクロコントローラ40は、パージ電池部分36を構成する燃料電池アセンブリにかかる全電圧の平均を決定し得る。従って、マイクロコントローラ40は、パージ電池部分における燃料電池アセンブリ16にかかる平均の電池電圧を、燃料電池スタック12の少なくとも一部分における燃料電池アセンブリ16にかかる平均電池電圧の所定のパーセンテージと比較する(例えば、平均の電池電圧は、スタック全体、パージ電池部分を含まないスタックの残り、スタックにおける1つ以上の電池の平均の電池電圧であり得る)。スタック12の他の燃料電池アセンブリ16にかかる電圧に対する、パージ電池部分36を構成する1つ以上の燃料電池アセンブリ16にかかる電圧の著しい降下は、パージ電池部分36の燃料流路における非反応成分の蓄積を示す。
【0056】
ステップ112において、マイクロコントローラ40は、ステップ114に制御をわたして、パージ電池部分36における平均の電池電圧が、燃料電池スタック12の平均の電池電圧の所定のパーセンテージ未満に降下した場合、燃料スタック12のパージを実行する。パージ電池における平均の電池電圧が、燃料電池スタック12の平均の電池電圧の所定のパーセンテージ未満でない場合、マイクロコントローラ40は、ステップ104に制御を戻して、電圧のモニタリングを継続する。
【0057】
組み合わされた図10Aおよび図10Bは、ステップ202にて開始して、燃料電池スタック12をパージする例示的方法200を示す。
【0058】
選択的ステップ204において、マイクロコントローラ40は、燃料電池スタック12を通る電流を決定する。マイクロコントローラ40は、燃料スタック電流センサS2からの瞬間的スタック電流測定値を受け取り得る。選択的ステップ206において、マイクロコントローラ40は、決定された瞬間的な全スタック電流に基づいて、パージ継続時間を決定し得る。マイクロコントローラ40は、例えば、永続的メモリ42に格納されたルックアップテーブルに依存し得るか、または、経験的に導出された式に基づいてパージ継続時間を計算し得る。図示されたシステム10に関する、好適な、経験的に導出された関係は、2つの短いパージを含む「パルスパージ」を用い、パージ継続時間T1の各々は、第1のパージと第2のパージとの間の閉じられた(「保持」)期間(例えば、0.5秒)である。さらに、この好適な、例示的に導出された関係は、別のパージシーケンスが許可される前に、第2のパージに続くパージ間継続時間T2を用いる(T2は、保持期間よりも大きい)。T1およびT2は、0amps〜55ampsの間の平均スタック電流の線形関数であり得る。0ampsの平均スタック電流で、T1は、約0.5秒と等しく、T2は、約6秒と等しい。55amps以上の平均スタック電流では、T1は、約1.5秒と等しく、T2は、約2.5秒と等しい。
【0059】
あるいは、マイクロコントローラ40は、所定のパージ持続時間を用い得、これは、燃料電池システム10の構造および動作を簡易化し得るが、パージは、パージ持続時間が、測定されたスタック電流に基づくパージのように効果的であり得ない。この代替的実施形態において、マイクロコントローラ40は、長さが変動し得る1つ以上の所定のパージ継続時間に依存し得る。
【0060】
あるいは、または、さらに、マイクロコントローラ40は、所定のパージ継続時間と、平均スタック電流測定値に基づいて決定されたパージ継続時間との長い方を用いる。これは、少なくとも最小のパージ継続時間でパージを実行することを可能にする。
【0061】
さらなる代替的実施形態において、マイクロコントローラ40は、パージ電池部分36にかかる平均の電池電圧および燃料電池スタック12にかかる平均電池電圧をモニタリングし得、パージ電池部分36にかかる平均電池電圧が燃料電池スタック12の平均電池電圧の所定のパーセンテージを超過した場合、パージバルブ70を閉じる。所定のパーセンテージは、パージ開始条件として用いられるパーセンテージと同じであり得るか、または、これと異なり得る。この代替的実施形態は、パージ継続時間が許容可能な改善を達成するために必要とされる継続時間に制限されることを可能にする。最大パージ継続時間は、定義され得、これにより、パージ電池部分36にかかる平均電池電圧が、最大パージ継続時間の間、燃料電池スタック12の平均電池電圧の所定のパーセンテージを超過しなかった場合、パージバルブは閉じられ、適宜、他の制御ステップが開始される。
【0062】
パージトリガリング条件および/またはパージ継続時間の決定において、スタックの平均電池電圧の閾値パーセンテージを用いることは、燃料電池システム10が、燃料電池システムの動作および性能全体に影響を及ぼし、かつ、所定の絶対値閾値電圧等の固定値が適応しない、動作および環境の変化に適応することを保証する。
【0063】
燃料電池システム10は、さらに、種々の動作状態の間、異なった所定のパージ継続時間を用い得、燃料電池システム10要件に、パージをより正確に整合させ得る。例えば、燃料電池セル10は、開始状態で動作する間、スタートアップパージ継続時間を、および、停止状態で動作する間、シャットダウンパージ継続時間を用い得る。さらに、燃料電池システム10は、スタック電流に基づいてか、または、走行状態および/または警戒状態の間、異なった所定のパージ継続時間を用いてパージ継続時間を計算し得る。
【0064】
さらに、燃料電池システム10は、蘇生サイクルの間の燃料電池スタック12をパージする間、蘇生パージ継続時間を用い得る。同一人に譲渡された、「FUEL CELL RESUSCITATION METHOD AND APPARATUS」と称される、米国特許出願シリアル番号第09/ (アトーニードケット番号第130109.408号)に詳細に記載されるように、蘇生は、燃料電池スタック12を通る酸化剤の流速が、特定の状況において、燃料電池スタック12の性能を改善し得る蘇生継続時間の間、一時的に増加する手順である。
【0065】
ステップ208において、マイクロコントローラ40は、タイマーをリセットし、ステップ210においてタイマーを開始させる。ステップ212において、マイクロコントローラ40は、パージバルブ70を開くために、信号をパージバルブコントローラCS4に送る。
【0066】
ステップ214において、マイクロコントローラ40は、タイマーがパージ継続時間T1と等しいか、または、これよりも大きくない場合、第1の待ちループ216を実行する。ステップ214において、マイクロコントローラ40は、タイマーがパージ継続時間T1と等しいか、または、これよりも大きい場合、ステップ218に制御をわたす。
【0067】
ステップ218において、マイクロコントローラ40は、パージバルブコントローラCS4に信号を送信して、パージバルブ70を閉じる。
【0068】
ステップ220において、マイクロコントローラ40は、パージバルブ70の連続的にパルスを開く間の保持機関の間、タイマーをリセットして、ステップ222においてタイマーをスタートさせる。上述の実施形態の適切な保持期間は、約0.5秒である。ステップ224において、タイマーが、保持期間よりも大きくない場合、マイクロコントローラ40は、第2の待ちループ226を実行する。ステップ220において、マイクロコントローラ40は、タイマーが、保持期間よりも大きいか、またはこれと等しい場合、ステップ228に制御をわたす。
【0069】
ステップ228において、マイクロコントローラは、パージ継続時間T1の第2のパージパルスの間、タイマーをリセットして、ステップ230においてタイマーをスタートさせる。ステップ232において、マイクロコントローラ40は、パージバルブコントローラCS4に信号を送信して、パージバルブ70を開く。ステップ234において、マイクロコントローラ40は、タイマーがパージ継続時間T1と等しくも大きくもない場合、第3の待ちループ236を実行する。ステップ234において、マイクロコントローラは、タイマーが、パージ継続時間T1と等しいか、またはこれよりも大きい場合、ステップ238に制御をわたす。ステップ238において、マイクロコントローラ40は、パージバルブコントローラCS4に信号を送信して、パージバルブ70を閉じる。
【0070】
この実施形態において、燃料電池システムは、「パルス」パージを用い、2つの別個の場合、すなわち、パージ継続時間T1の各々にてパージバルブ70を開く。出願人は、2つ以上のパルス間の短い遅延をともなう、パージバルブ70のこのようなパルス開放を用いて、より良好な結果が達成され得ることを経験的に決定した。これは、本発明を必ずしも限定せず、かつ、このような本発明がパージバルブ70の1回の開放、2つの連続的開放、または、パージバルブ70の2回以上の連続的開放をカバーし得ることが要求される。さらに、単一パルスパージ内の連続的開放は、等しい継続時間T1の間、または、異なった継続時間の間であり得る。
【0071】
ステップ240において、マイクロコントローラ40は、パージ間継続時間T2に入る間、タイマーをリセットして、ステップ242においてタイマーをスタートさせる。上述のように、パージ間継続時間T2は、燃料セルスタック12のパージ完了直後に続く時間であり、この時間の間、マイクロコントローラ40は、パージバルブ70を開かない(蘇生条件等の特定の条件に応答するいくつかの場合を除く)。上述の実施形態について、適切なパージ間期間T2は、約2.5〜6秒の間である。
【0072】
代替的なさらなるステップ244において、同一人に譲渡された、「FUEL CELL RESUSCITATION METHOD AND APPRATUS」と称される米国特許出願シリアル番号第09/ (アトーニードケット番号第130109.408号)に記載された燃料電池蘇生チェックと同様に、マイクロコントローラ40は、燃料電池のペアにかかる電圧をチェックする。燃料電池アセンブリ16の任意のペアにかかる電圧が電池のペアの閾値電圧未満である場合、マイクロコントローラ40は、ステップ250においてパージ法200を終了して蘇生サイクルに入る。燃料電池アセンブリ16の任意のペアにかかる電圧が、電池のペアの閾値電圧未満でない場合、マイクロコントローラ40は、ステップ252においてパージバルブ70が開くことを防止し、タイマーがステップ254におけるパージ間継続時間と等しいか、これよりも大きいかを決定する。タイマーが、パージ間継続時間T2と等しくもなく、これよりも大きくもない場合、マイクロコントローラ40は、第4の待ちループ256を実行する。そうでない場合、マイクロコントローラ40は、ステップ250においてパージ法200を終了する。本明細書中に記載されたパージ技術および装置は、さらに、デッドエンドされ、実質的に純粋な酸化剤ストリームに対して動作する燃料電池システムに適用可能であってもよいし、非反応成分の蓄積を周期的に抜く間、酸化剤チャネルと関連するパージバルブを有してもよい。
【0073】
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。
【0074】
概して、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09/916,213号は、FUEL CELL RESUSCITATION METHOD AND APPARATUS(Atty.Docket No.130109.408)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。
【0075】
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。
【0076】
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、以下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】
【0077】
【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9】燃料電池システムをモニタリングし、かつ、燃料電池スタックをいつパージするかを決定するための動作方法を示すフローチャートである。
【図10A】図10Aは、パージ継続時間の間、燃料電池スタックをパージする方法を示す燃料電池システムの動作方法に関する図10Bと組み合わされたフローチャートである。
【図10B】図10Bは、パージ継続時間の間、燃料電池スタックをパージする方法を示す燃料電池システムの動作方法に関する図10Aと組み合わされたフローチャートである。
Claims (39)
- 燃料電池システムであって、
複数の燃料電池を有する燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックからのパージ放電をレギュレートするパージバルブと、
該パージバルブを開閉するように結合されたアクチュエータと、
燃料電池スタックのパージ条件が存在する場合、パルスパージシーケンスにおいて、該パージバルブを開閉するために、該アクチュエータを制御するように結合されたコントローラとを備え、該パルスパージシーケンスは、
パージ継続時間の間、該バルブを開く工程と、
ある保持期間のパージ継続時間の後、該パージバルブを閉じる工程と、
該バルブの開閉工程を、少なくとも1回繰返す工程と、
任意の後続パージの前に、パージ間継続時間の間、該バルブを閉じた状態に保つ工程とを包含する、燃料電池システム。 - 前記コントローラは、燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧が、該燃料電池スタックの少なくとも一部分にかかる平均燃料電池電圧のパーセンテージを超過したかどうかを決定することによって、スタックのパージ条件が存在するかどうかを決定するように構成される、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記パージ間継続時間は、前記パルスパージシーケンスにおいて、前記少なくとも1つのパージ継続時間および保持期間の各々よりも長い、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 燃料電池システムであって、
複数の燃料電池を有する燃料電池スタックと、
該燃料セルスタックからのパージ放電をレギュレートするパージバルブと、
該パージバルブを開閉するように結合されたアクチュエータと、
燃料電池スタックのパージ条件が存在する場合、該パージバルブを開き、該燃料電池スタックを通る電流の流れに基づいて決定されたパージ継続時間の後で該パージバルブを閉じるために、該アクチュエータに制御信号を供給するように結合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、燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧が、該燃料電池スタックの少なくとも一部分にかかる平均燃料電池電圧のパーセンテージを超過したかどうかを決定することによって、スタックのパージ条件が存在するかどうかを決定するように構成される、請求項4に記載の燃料電池システム。
- 燃料電池スタックのパージシステムであって、
燃料電池スタックからの流れをレギュレートするパージバルブと、
該パージバルブを開閉するように結合されたアクチュエータと、
該燃料電池スタックのパージ電池部分を形成する、少なくとも1つの燃料電池の性能を示すパラメータを決定するように結合されたパージ電池モニタと、
該燃料電池スタックにおいて、少なくとも2つの燃料電池の性能を示すパラメータを決定するように結合された燃料電池モニタと、
該モニタリングされたパラメータ間の差に応答して該パージバルブを開くために、該アクチュエータに制御信号を供給するように結合されたコントローラと
を備える、パージシステム。 - 前記パージセルモニタは、該パージ電池部分にかかる電圧を決定するために、前記燃料電池スタックのパージ電池部分を形成する、少なくとも1つの燃料電池にわたって結合されたパージ電池電圧センサを備え、
該燃料電池モニタは、前記燃料電池にかかる電圧を決定するために、該燃料電池スタックにおける少なくとも2つの燃料電池にわたって結合された燃料電池電圧センサを備え、
前記コントローラは、該燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均電圧が、該少なくとも2つの燃料電池にわたって測定された閾値電圧の所定の第1のパーセンテージ未満に降下する、請求項6に記載のパージシステム。 - 前記閾値電圧は、前記燃料電池スタックにおける前記少なくとも2つの燃料電池にわたって測定された前記燃料電池電圧を平均化することによって決定される、請求項7に記載のパージシステム。
- 前記閾値電圧は、前記燃料電池スタックにおけるすべての燃料電池を、該燃料電池スタックにおける燃料電池の総数で割ることによって決定された平均燃料電池電圧と等しい、請求項7に記載のパージシステム。
- 前記コントローラは、燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧と、少なくとも2つの燃料電池にかかる平均燃料電池電圧とを決定し、該コントローラは、該平均パージ電池電圧が該平均燃料電池電圧の決定された第1のパーセンテージ未満に降下した場合、前記パージバルブを開くために、前記アクチュエータに制御信号を供給するように結合される、請求項7に記載のパージシステム。
- 前記コントローラは、前記アクチュエータに制御信号を提供して、決定されたパージ継続時間が経過した後に前記パージバルブを閉じるようにさらに結合され、該パージ継続時間の決定は、前記燃料電池スタックを通る電流の流れに基づく、請求項7に記載のパージシステム。
- 前記コントローラは、前記平均パージ電池電圧が、前記平均燃料電池電圧の所定の第2のパーセンテージを超えて上昇した場合、該パージバルブを閉じるために、前記アクチュエータに制御信号を供給するようにさらに結合される、請求項10に記載のパージシステム。
- 前記所定の第2のパーセンテージは、前記所定の第1のパーセンテージとは異なる、請求項12に記載のパージシステム。
- 前記所定の第2のパーセンテージは、前記第1のパーセンテージよりも大きい、請求項12に記載のパージシステム。
- 前記パージ電池部分は、前記スタックにおける残りの燃料電池を通った燃料ストリームが供給された最後の2つの燃料電池を備える、請求項6に記載のパージシステム。
- 前記所定の第1のパーセンテージは、約90%である、請求項10に記載のパージシステム。
- パルスパージシーケンスを用いて燃料電池パージシステムを動作させる方法であって、
燃料電池スタックのパージ条件が存在することを決定する工程と、
パルスパージシーケンスにおいて、パージバルブを動作させる工程であって、
パージ継続時間の間、該バルブを開く工程と、
保持期間の該パージ継続時間の後、該パージバルブを閉じる工程と、
第2のパージ継続時間の間、少なくとも1回該バルブを開閉することを繰返す工程と
を包含する工程と、
任意の後続のパージの前に、パージ間継続時間の間、該バルブを閉じた状態に保つ工程と
を包含する、方法。 - 前記パージ間継続時間は、前記パルスパージシーケンスにおいて、前記少なくとも1つのパージ継続時間および保持期間の各々よりも長い、請求項17に記載の方法。
- 前記第1のパージ継続時間は、前記第2のパージ継続時間と同じである、請求項17に記載の方法。
- 前記第1のパージ継続時間は、前記第2のパージ継続時間とは異なる、請求項17に記載の方法。
- 前記第1および前記第2のパージ継続時間の少なくとも1つを、燃料電池スタック電流に基づいて決定する工程をさらに包含する、請求項17に記載の方法。
- 前記バルブを開閉する工程は、パージ条件が満たされるまで繰返される、請求項17に記載の方法。
- 燃料電池スタックのパージ条件が存在することを決定する工程は、
燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧が、該燃料電池スタックの少なくとも一部分にかかる平均燃料電池電圧のパーセンテージを超過するかどうかを決定する工程を包含する、請求項22に記載の方法。 - パージ条件が満たされたかどうかを決定する工程は、
燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ燃料電圧が、前記スタックにおける1つ以上の電池の現在の電圧に基づく所定の閾値電圧を超過するかどうかを決定する工程を包含する、請求項22に記載の方法。 - パージ条件が満たされるかどうかを決定する工程は、
燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧が、該燃料電池スタックにおける少なくとも2つの燃料電池にかかる平均燃料電池電圧のパーセンテージを超過するかどうかを決定する工程を包含する、請求項22に記載の方法。 - 燃料電池パージシステムを動作させる方法であって、
燃料電池スタックを通る電流の流れを決定する工程と、
該決定された電流の流れに基づいて、パージ継続時間を決定する工程と、
該燃料電池スタックに結合されたパージバルブを動作させて、該燃料電池スタックから使い果たした反応物ストリームを放出する工程と
該パージバルブが該所定のパージ継続時間の間、開かれた後で、該パージバルブを閉じる工程と
を包含する、方法。 - 前記燃料スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧をモニタリングする工程と、
該燃料電池スタックの少なくとも一部分にかかる平均燃料電池電圧をモニタリングする工程と、
該平均パージ電池電圧が該平均燃料電池電圧の所定のパーセンテージ未満に降下する場合、該パージバルブを開く工程と
をさらに包含する、請求項26に記載の方法。 - 燃料電池パージシステムを動作させる方法であって、
燃料電池スタックのパージ電池部分を形成する、少なくとも1つの燃料電池の性能を示すパラメータをモニタリング工程と、
該燃料電池スタックにおける少なくとも2つの燃料電池の性能を示すパラメータを示すパラメータをモニタリングする工程と、
該モニタリングされたパラメータ間の差に応答してパージバルブを開く工程と
を包含する、方法。 - 前記燃料電池スタックのパージセル部分を形成する、少なくとも1つの燃料電池の性能を示すパラメータをモニタリングする工程は、燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧をモニタリングする工程を包含し、
該燃料電池スタックにおける少なくとも2つの燃料電池の性能を示すパラメータをモニタリングする工程は、該燃料電池スタックの少なくとも一部分にかかる平均燃料電池電圧をモニタリングする工程を包含し、
該平均パージセル電圧が、該平均燃料電池電圧の第1の所定のパーセンテージ未満に降下した場合、該パージバルブが開かれる、請求項28に記載の方法。 - 前記燃料電池スタックの少なくとも一部分にかかる平均燃料電池電圧をモニタリングする工程は、
該燃料電池スタックにおけるすべての燃料電池にかかる電圧をモニタリングする工程と、
該燃料電池スタックにおけるすべての燃料電池にかかる該電圧を、該燃料電池スタックにおける燃料電池の総数で割る工程と
を包含する、請求項29に記載の方法。 - 前記パージバルブは、前記平均パージ電池電圧が、前記平均燃料電池電圧の90パーセント未満に降下した場合、該パージバルブが開かれる、請求項29に記載の方法。
- 所定のパージ継続時間の後、前記パージバルブを閉じる工程をさらに包含する、請求項29に記載の方法。
- 前記燃料電池スタックを通る電流の流れを決定する工程と、
該決定された電流の流れに基づいて、パージ継続時間を決定する工程と、
該決定されたパージ継続時間の後、該パージバルブを閉じる工程と
をさらに包含する、請求項29に記載の方法。 - 前記燃料電池スタックを通る電流の流れを決定する工程と、
電流の流れと前記パージ継続時間との間の所定の比例関係から決定された該電流の流れに基づいて、パージ継続時間を決定する工程と、
該決定されたパージ継続時間の後、該パージバルブを閉じる工程と
をさらに包含する、請求項29に記載の方法。 - 前記平均パージ電池電圧が、該平均燃料電池電圧の第2の所定のパーセンテージを超えて上昇した場合、前記パージバルブを閉じる工程をさらに包含する、請求項29に記載の方法。
- 前記第2の所定のパーセンテージは、前記第1の所定のパーセンテージとは異なる、請求項35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、
燃料電池スタックのパージ電池部分に結合されたパージバルブを開いて、該燃料電池システムの動作開始時の開始状態の間のスタートアップ継続時間中、パージ放電し尽くす工程と、
該燃料電池システムの動作終了時の停止状態の間のシャットダウンパージ継続時間中、該パージバルブを開く工程と、
パージ条件が存在する場合、該燃料電池システムの動作中、該開始状態と該停止状態との間のパージサイクル中に決定されたパージ継続時間の間、該パージバルブを開く工程と
を包含する、方法。 - 前記燃料電池スタックを通る電流の流れに基づいて、前記決定されたパージ継続時間を決定する、請求項37に記載の方法。
- 前記システムにおける燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧が、該燃料電池スタックにおける少なくとも2つの燃料電池にかかる平均燃料電池電圧のパーセンテージを超過する、請求項37に記載の方法。
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