JP2007507063A - 始動および停止時の燃料電池エネルギーの貯蔵 - Google Patents

Abstract

燃料電池発電装置の始動または運転停止時に、反応物の消費により生成される電気エネルギーが、エネルギー貯蔵システム２０１（バッテリ）に施される電流として、制御装置（１８５）に応答する貯蔵制御器（２００）により抽出される。ブースト実施態様では、誘導子（２０５）およびダイオード（２０９）が、バッテリのスタック（１５１）の一つの端子（１５６）に接続する。電子スイッチが、誘導子およびダイオードの接続部をスタックのもう一方の端子（１５５）およびバッテリ両方に接続する。スイッチは、十分なエネルギーがスタックからバッテリに伝達されるまで、制御装置（１８５）からの信号（２１２）により交互にゲートオン・オフにされる。バック環境では、スイッチおよび誘導子（２０５）は、スタックの一つの端子（１５６）をバッテリに接続する。ダイオードが、スイッチの誘導子との接続部を燃料電池スタックのもう一方の端子（１５５）およびバッテリに接続する。

Description

本発明は、始動および／または運転停止時に燃料電池スタックから抽出される電気エネルギーを、補助負荷または他の抵抗電圧制限装置においてそのエネルギーを散逸させる代替として、貯蔵することに関する。

高分子電解質膜（ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）（ＰＥＭ）型燃料電池の始動および運転停止時に無定形炭素触媒支持体および金属触媒の腐食が生じて、結果として、燃料電池性能が永久的に低下することが知られている。また、この腐食が、カソード電位が標準水素電極の電位より十分に１ボルトを超えて上回り得るような逆電流状態に起因することも知られている。これはアノード流れ区域内の異なる位置に存在する水素および空気両方により引き起こされると考えられている。運転停止期間の間に、不活性ガスパージを使用しない場合、空気がゆっくりと均一に燃料電池のアノード流れ区域およびカソード流れ区域両方を満たすことになる。始動時に水素がアノード流れ区域に供給され、結果として、アノード流れ区域の入口は主に水素となり、一方アノード流れ区域の出口は主に空気となる。電気化学反応がアノード流れ区域内の燃料に富む帯域とアノード流れ区域内の酸素に富む帯域との間で生じ、それによって、酸素に富む帯域内のアノードの電位が空気の開回路電位まで上昇する。これによって次にはアノード上の空気に富む帯域の反対側のカソードの電位が標準水素電極に対して１．４〜１．８ボルトの電位まで上昇する。この電位によって、炭素系触媒支持体が腐食し、結果として、電池性能が低下する。

２０００年１２月２０日に出願された同時係属中の米国特許出願番号第０９／７４２，４８１号には、始動の際に新鮮な水素含有燃料がアノード流れ区域を通って流れてその内部の空気に置き換わる間に、水素／空気界面がアノード流れ区域を移動するので、白金触媒および触媒支持体の腐食が生じることが示されている。腐食の程度は、燃料電池の始動時に水素で空気を迅速にパージすることにより緩和される。同様の仕方で、運転停止の際にパージ空気がアノードを通過する間に、水素／酸素の相互作用が存在し、これによって、２０００年１２月２０日に出願された同時係属中の米国特許出願番号第０９／７４２，４９７号に記載されているように、安全上の問題の可能性が生じ、また、好ましくないほど大きな電圧の逸脱が電池に生じることがある。

５０，０００〜１００，０００回の始動／運転停止サイクルを経験することがある自動車用途では、これは、結果として破局的な性能損失になる。これまでこの問題に対する解決策には、窒素のような不活性ガスでアノード流れ区域をパージすることにより燃料電池スタックを安定させること、また、運転停止処理および始動処理中に燃料電池スタックの両端に補助負荷を維持することが含まれる。

自動車用途では、不活性ガスの利用可能性と、パージのためそれを利用する装置とは、法外なほど複雑かつ高価になる。補助負荷の使用には、そこで生成された熱の散逸が必要であり、それは通常、水循環システムまたは冷却剤システムの貯蔵器内で生じることができ、あるいは空気冷却を用いて生じることできる。

図１をここで参照すると、車両１５０は、複数の連続した燃料電池を備える燃料電池スタック１５１を含み、図１では、燃料電池１２の一つだけが示されている。燃料電池スタック１５１の正負の端子における電気出力は、一対のライン１５５、１５６によりスイッチ１５８を通して車両推進システム１５９に接続される。出力はまた、スイッチ１６０を通して水循環システムの貯蔵器１６４内の補助負荷１６１に接続され、貯蔵器１６４は、排出口１６５を有する。水循環システムは、調節弁１６６と、水輸送板８４内の通路のような水通路と、水循環システム内を循環する水を冷却するために選択的に作動できる放熱器およびファン１６８、１６９と、水ポンプ１７０とを含むことができる。入口１７３における周囲空気が、送風機１７４のようなポンプによってカソード１９の酸化剤反応物ガス流れ区域に提供され、それから、圧力調整弁１７５を通って排気１７６に提供される。水素が、供給源１７９から流量調節弁１８０を通ってアノード１７の燃料反応物ガス流れ区域に供給され、それから、圧力調整弁１８１を通って排気１８２に供給される。燃料再循環ループは、ポンプ１８３を含む。

制御装置１８５が、電流検出器１８６により決定される負荷電流と、ライン１５５、１５６に亘る電圧とに応答する。また、それは、ライン１８７上に提供されるスタック温度を有することもできる。図１に示されるように、制御装置は、次いで、ライン１９０上の弁１８０を制御することができ、また、その他の弁、スイッチ１５８、１６０、およびポンプ１７４、１７０を制御することができる。

制御装置１８５は、ライン１９３および１９４上の車両推進システム１５９からの始動および速度制御信号に応答し、これらの信号は、いつ燃料電池が作動を開始すべきかを示し、また、車両推進システムが要求する電力量を示すものである。車両推進システム１５９からライン１９３上を制御装置１８５に始動信号が送られるときはいつでも、制御装置からの信号によって、弁１８０、１８１およびポンプ１８３が適切に作動して燃料反応物ガスがアノード１７の流れ区域に提供されることになり、また、弁１７５およびポンプ１７４が適切に作動して周囲空気がカソード１９の流れ区域に提供されることになる。

十分な量の燃料および空気が電池に均一に提供されてしまうと、制御装置１８５によりライン１５５、１５６上で開回路電圧が検出されることになる。そのときに、制御装置は、スイッチ１６０を閉じて、燃料電池スタック１５１を貯蔵器１６０内の補助負荷１６１に接続することができ、また、同時にまたは遅れて、スイッチ１５８を閉じて燃料電池スタック１５１を車両推進システム１５９に接続することができる。

車両推進システム１５９から運転停止信号を受け取るときはいつでも、スイッチ１５８が開かれて燃料電池発電装置から車両を遮断する間に、スイッチ１６０が閉じられて補助負荷１６１を接続することになる。

本発明の目的は、燃料電池スタックの始動および運転停止における腐食および性能低下を制御するための補助負荷または他の抵抗電圧制限装置の必要を解消すること、燃料電池発電装置内のエネルギーを保存すること、そのとき存在する条件に密接に関連する仕方で始動および運転停止時に燃料電池反応を制御すること、および、別なふうに浪費されるエネルギーを燃料電池発電装置内で使用可能にすることを含む。

本発明によれば、燃料電池スタックの始動または運転停止時に、内部の反応物の消費により生成された擬似エネルギーを電気エネルギーの形態で抽出して、燃料電池発電装置と関連するエネルギー貯蔵装置内に貯蔵する。エネルギー貯蔵装置内にエネルギーを貯蔵するのが好ましい電圧より燃料電池スタックの電圧が低いときに有用なブースト（ｂｏｏｓｔ）構成において、電子スイッチによって、電流が誘導子内に蓄積され、またこの電子スイッチがゲートオフにされると、電流は、一方向に伝導する装置を通してエネルギー貯蔵システム内へ流入し続ける。エネルギー貯蔵システム内にエネルギーが貯蔵されることになる電圧よりスタックの電圧が高いときに有用なバック（ｂｕｃｋ）構成において、スタックの一つの電気出力端子が、電子スイッチおよび誘導子を通してエネルギー貯蔵装置の一方の側に接続され、燃料電池スタックの第二の電気出力端子が、エネルギー貯蔵システムの他方の側に接続され、一方向に伝導する装置が、第二の端子から電子スイッチおよび誘導子の接続部に延在し、始動または運転停止が生じると、電子スイッチは、最初にゲートオンにされて電流を直接誘導子を通してエネルギー貯蔵システム内へ流入させ、次いで電子スイッチはゲートオフにされて、電流は、一方向に伝導する装置および誘導子を通してエネルギー貯蔵システム内へ流入し続ける。

始動時に、このプロセスが、所定長さの期間、またはＤＣ電流が特定レベルで安定するまで、または特定量のエネルギーが伝達されるまで、繰り返される。運転停止時に、このプロセスが、電圧が特定レベルより下に減少する（燃料電池内のエネルギーが散逸する）まで、繰り返される。

さらに本発明によれば、燃料電池発電装置により電力供給される電気車両において、エネルギー貯蔵システムは、電気車両による再生式制動に利用されるバッテリである。エネルギー貯蔵システムは一般に、再生式制動を可能とするために、また、始動または運転停止の結果として燃料電池スタックのエネルギーを貯蔵するのを可能とするために、その容量の約８０％まで充電されるだけである。

本発明を実施するために、上述したもの（および以下にさらに詳細に説明する）以外の構成を使用することができる。そのような構成は、絶縁変圧器、およびバック−ブースト、プッシュ−プル、フォワード、フライバック（ｆｌｙｂａｃｋ）などといったさまざまな電力電子機器配列の使用を含むことができる。本発明を実施するために、さまざまなスイッチング装置を使用することもできる。

本発明は、熱の散逸の必要性を解消し、補助負荷またはその他の電圧制限装置の必要性を解消し、また、運転停止からの条件とは始動時に異なっている電流作動条件に適合するようにおよびその他の作動変数に適合するように容易にプログラム可能である。

本発明の他の目的、特徴、および利点は、添付の図面に例示されるように、その例示的な実施態様の以下の詳細な説明に照らしてより明らかになるであろう。

図２を参照すると、補助負荷（１６１、図１）は使用されていない。その代わりに、貯蔵制御器２００が、始動または運転停止時に、燃料電池スタック内に貯蔵されるエネルギーを抽出し、それをエネルギー貯蔵システム２０１に施し、本実施態様では、このエネルギー貯蔵システム２０１は、車両推進システム１５９により電力供給される電気車両のバッテリである。他の実施態様では、エネルギー貯蔵システム２０１は、何らかの他のバッテリとすることができ、それはコンデンサーとすることができ、またはそれは何らかの他の電気貯蔵装置とすることができる。

貯蔵制御器２００は、図３に示す形態をとることができ、その形態は、エネルギー貯蔵システム内にエネルギーが貯蔵される電圧よりスタックの電圧出力が低いときに有用なブースト構成である。図３では、誘導子２０５が電子スイッチ２０６と直列に接続され、電子スイッチ２０６は、燃料電池スタック１５１の電気出力端子１５５、１５６間の、図示するような絶縁ゲートバイポーラトランジスタまたは任意の他の適切な電子スイッチとすることができる。

ライン２０８上の貯蔵制御器の出力は、ダイオード２０９などといった一方向に伝導する装置を通して誘導子およびスイッチの接続部から取られる。ＥＳＳ内にエネルギーが貯蔵される電圧より電池スタック１５１の出力電圧が低いときに電池スタック１５１からエネルギーを伝達させるために、最初にスイッチ２０６は制御装置１８５（図２）からのライン２１２上の信号によりゲートオンにされ、それによって、電流が誘導子２０５内に蓄積される。しばらくして、スイッチ２０６はゲートオフにされて、誘導子内の電流は、ダイオード２０９および出力ライン２０８を通してエネルギー貯蔵システム２０１（図２）内へ流入し続けることになり、エネルギー貯蔵システム２０１は、バッテリ２１３とすることができる。出力ライン２０８（および燃料電池スタックのもう一方の端子１５５）を通る電流は、エネルギー貯蔵システム２０１内に貯蔵される。電流の形態で燃料電池スタックからエネルギーが出るときに、燃料電池スタックの電圧は低下することになる。このプロセスは、燃料電池スタックから所望のエネルギーが抽出されてしまうまで続く。

エネルギーの関係の一例として、図５には、燃料電池スタックから伝達されるエネルギー量を、燃料電池スタックの出力をプロットすることにより計算できることが例示されており、伝達されたエネルギーは、曲線の面積により表されている。エネルギー量は、始動または停止移行時に燃料電池スタックが生成する積分された電力対時間により表される。この例では、エネルギーＥは、１５キロジュールに等しく、電力は、３秒間で散逸する。

本発明によれば、エネルギーは、図５に見ることができるように、均一には取り出されない。その代わりに、電力の伝達は迅速に最大に到達し、次いで、時間に対して低下する。図３および図４に関連して記載した構成では、エネルギーは、図６に例示されるように、スイッチ２０６がゲートオンおよびオフにされるにつれて、分割して伝達される。

図４では、スイッチ２０６は、燃料電池スタックの一つの電気端子１５６とエネルギー貯蔵システム（２０１、図１）との間の誘導子２０５と直列になっている。ダイオード２０９は、燃料電池スタックのもう一方の電気端子１５５から誘導子２０５とスイッチ２０６との間の接続部に接続される。エネルギー貯蔵システム内にエネルギーが貯蔵される電圧より燃料電池スタックの電圧が高いときに使用される図４のバック構成において、スイッチ２０６は、ライン２１２上の信号によりゲートオンにされて、電流を端子１５６から誘導子２０５を通して出力ライン２０８上のエネルギー貯蔵システム内へ流入させる。次いでスイッチ２０６はゲートオフにされて、そのとき、電流は、ダイオード２０９および出力ライン２０８上の誘導子２０５を通してエネルギー貯蔵システム２０１へ流れ、この場合、エネルギー貯蔵システム２０１はコンデンサ２１５として例示される。スイッチ２０６および誘導子２０５を流れる電流によって、燃料電池スタックの電圧が低下する。スイッチングプロセスは、燃料電池スタックから所望のエネルギーが抽出されてしまうまで繰り返される。

図３および図４の構成では、ライン２１２上の信号による電子スイッチ２０６のスイッチングに対する制御によって、エネルギー要求量が始動および運転停止の間で異なり得る始動および運転停止両方に対して本発明の使用が可能となる。部品２０５、２０６、２０９の大きさは、始動／運転停止に必要とされる最大電流を運ぶように決定されるものである。

本発明が使用されるシステムに依存して電圧を上げまたは下げることができ、次いで変換された電流がコンデンサまたはバッテリ、または他の適切な貯蔵システム内での貯蔵のために整流され得るであろう絶縁変圧器の使用を含め、他の構成、特にスイッチング構成を使用できる。この実施態様では、貯蔵システムは電気的であるが、しかしながら、フライホイールなどといった機械的システムを含め、他の貯蔵システムを使用できる。

始動および運転停止のために補助負荷を使用する、従来技術に知られる燃料電池発電装置の概略ブロック線図。 本発明による、始動および運転停止時に、燃料電池スタックのエネルギーをエネルギー貯蔵システム内に貯蔵する燃料電池発電装置の概略ブロック線図。 本発明によるブースト構成貯蔵制御器の概略線図。 本発明によるバック構成貯蔵制御器の概略線図。 電力対時間のグラフ。 電力対時間のグラフ。

Claims (6)

1. 非作動から作動への移行時、またその逆の移行時に、関連する燃料電池スタック（１５１）から取り除かれるエネルギーを貯蔵するように適合された燃料電池発電装置（１５０）であって、
   燃料電池スタックと相互に接続された制御装置（１８５）であって、燃料電池スタックを始動させるように、また燃料電池スタックを運転停止させるように、受け取った信号（１９３、１９４）に応答する制御装置と、
   燃料電池発電装置に関連するエネルギー貯蔵システム（２０１）であって、対応するエネルギーを貯蔵するように、それに提供された電気出力（２０８）に応答するエネルギー貯蔵システムと、
   （ａ）燃料電池発電装置の始動または（ｂ）燃料電池発電装置の運転停止から選択される移行時に、燃料電池スタックが生成するエネルギーを電気出力（１５５）の形態で抽出するように、前記制御装置により作動可能な貯蔵制御手段（２００）であって、前記電気出力が、エネルギー貯蔵装置に提供され、それによって、前記移行時に燃料電池スタックの燃料電池内の最大平均電圧が制限される、貯蔵制御手段（２００）と、
   を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記貯蔵制御手段（２００）は、燃料電池スタックの一つの電気出力（１５６）からエネルギー貯蔵システムの一つの入力（２０８）に延びる（図３）一方向に伝導する装置（２０９）と直列の誘導子（２０５）と、一方向に伝導する装置との誘導子の接続部から燃料電池スタックの第二の電気出力端子（１５５）およびエネルギー貯蔵システムの第二の端子（１５５）両方に接続される電子スイッチ（２０６）とを備え、
   前記電子スイッチは、前記制御装置（１８５）からの信号（２１２）によりゲートオン・オフにされる、
   ことを特徴とする請求項１記載の発電装置。
3. 前記貯蔵制御手段（２００）は、燃料電池スタック（１５１）の一つの電気出力（１５５）からエネルギー貯蔵システム（２０１）の一つの入力（２０８）に延びる（図４）一方向に伝導する装置（２０９）と直列の誘導子（２０６）と、一方向に伝導する装置との誘導子の接続部から燃料電池スタックの第二の電気出力端子（１５６）に接続される電子スイッチ（２０６）とを備え、
   前記電子スイッチは、前記制御装置からの信号（２１２）により周期的にゲートオン・オフにされる、
   ことを特徴とする請求項１記載の発電装置。
4. 前記エネルギー貯蔵システム（２０１）は、電気バッテリ（２１３）を備えることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
5. 前記電気バッテリは、前記発電装置により電力供給される車両（１５９）上に配置されることを特徴とする請求項４記載の発電装置。
6. 前記エネルギー貯蔵システムは コンデンサ（２１５）を備えることを特徴とする請求項１記載の発電装置。

Images