JP2008091337A - 空気流量フィードバック遅延を使用して燃料電池出力増を管理する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空気流量フィードバック遅延を利用して燃料電池システムにおける燃料電池の出力増を管理する方法を提供する。
【解決手段】燃料電池システムにおける所定の位置において所要の空気質量流量を決定するステップと、燃料電池システムにおける所定の位置で実際の空気質量流量を決定するステップと、所要の空気質量流量と実際の空気質量流量との関数として空気流量フィードバック遅延を計算するステップと、外部回路が燃料電池スタック１０からの電流引き出しを増加させるのを空気流量フィードバック遅延の大きさだけ遅らせるステップとを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムを動作させる方法に関する。より具体的には、本発明は、空気質量流量フィードバック遅延を使用して水素燃料電池システムの出力増を管理することを対象とする。

最近の燃料電池システムでは、圧縮機を使って圧縮空気を燃料電池スタックに供給する。燃料電池の反応のために十分な空気を用意することは極めて重要であって、「カソード化学量論」として特徴付けられており、電流密度が低い場合には、典型的には高い値（例えば、５）が必要であり、電流密度が高い場合には、低い値（例えば、１．８）が典型的である。このようなシステムでは、空気流量センサなどの、圧縮機を出てから燃料電池スタックに入る空気質量流量を感知する手段を備える必要がある。

典型的には、制御システムは、この流量情報を取り出し、背圧弁の位置に合わせて圧縮機の速度を変え、燃料電池スタックに入る所望の空気質量流量及びガス圧力を得る。所望の空気流量及びガス圧力は、一般に、燃料電池スタック電流、燃料電池スタック内の電池セルの個数、及びそのスタック電流における所望のカソード化学量論などの公知の係数を使用して計算される。

このような燃料電池システムでは、制御システムは、典型的には、空気流量センサにより所望の空気質量流量が検出された直後に外部回路が燃料電池システムから電流を引き出すのを可能にする。空気流量センサが測定を行っている場所と燃料電池スタックの反応部位にて空気が要求される場所との間の体積及び距離は考慮されていない。したがって、所望の空気質量流量が反応部位に実際に存在するようになる前に、電流が燃料電池スタックから引き出される。反応部位に空気が欠如していると、反応部位のカソード化学量論が極端に低下する可能性があり、その結果、カソード化学量論の低さに敏感な電池セルに著しい電圧降下が生じる。電池セルの電圧の低下は、電力管理回路に出力電力を制限する動作を少なくとも行わせることができ、反転して（つまり、負電圧になって）大きな劣化を生じ得る。空気の欠如は、電流を引き出す上方過渡電流（up-transient）に対し特に有害である。従来技術のシステムでは、空気流量計が測定を行っている場所と空気−Ｈ_２反応が実際に生じる場所との間の距離及び体積を考慮していない。

空気流量センサと反応部位との間の体積及び距離を考慮し、電流が燃料電池スタックから引き出される前に必要な空気流量が反応部位に到達することを保証する、燃料電池の出力増を管理する方法を開発することが望ましい。

本発明によれば、空気流量センサと反応部位との間の体積及び距離を考慮し、電流が燃料電池スタックから引き出される前に必要な空気質量流量が反応部位に到達することを保証する、燃料電池の出力増を管理する方法が発見された。この方法は、上方過渡電流全体を通して反応部位でカソード化学量論要件が常に満たされることを保証する。これを保証することにより、スタックの安定性が、カソード化学量論的に敏感な何れかの１つの電池セルが不十分な空気に起因して電圧を失うのを防ぐことによって改善される。二次的ではあるが同等に重要な効果は、加速的な電圧低下に導くカソード飢餓状態を防止することである。

一つの実施の形態において、空気流量フィードバック遅延を使用して燃料電池の出力増を管理する方法は、圧縮機とカソード出口との間の燃料電池システムのガス流影響特性（gas flow effecting characteristics）を決定するステップと、圧縮機とカソード出口との間の空気質量流量を決定するステップと、圧縮機とカソード出口との間の燃料電池システムのガス圧力を決定するステップと、前記ガス流影響特性、前記空気質量流量及び前記ガス圧力の関数として空気流量フィードバック遅延を計算するステップと、外部回路が燃料電池スタックから電流を引き出すのを空気流量フィードバック遅延の大きさだけ遅延させるステップとを含む。

本発明の上記の利点ならびに他の利点は、付属の図面に照らして考察したときに、好ましい一つの実施の形態の以下の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。

以下の詳細な説明及び付属の図面では、本発明の様々な例示的な実施の形態を説明し、例示している。これらの説明及び図面は、当業者が本発明を製作し使用するのを可能にするのに役立つものであり、本発明の範囲をいかなる形でも限定することを意図していない。開示されている方法に関して、提示されるステップは本質的に例示的なものであり、したがってステップの順序は必須でも重要でもない。

ここで図１を参照すると、関連する構成要素を備える燃料電池システムの基本レイアウトが示されており、実際には多くの変更形態が可能である。燃料電池システムに組み込まれ、直列及び／又は並列に電気的に接続されている複数の個別の燃料電池セルからなる燃料電池スタック１０の概略表現が図に示されている。燃料電池スタック１０の全ての個別の燃料電池セルのアノード側は、当該分野で一般に知られている方法により一緒に接続され、その結果のスタックのアノード側は参照番号１２で示されている。同様の方法で、スタックの全ての燃料電池セルのカソード側は、当該分野で一般に知られている方法により一緒に接続され、その結果のスタックのカソード側は参照番号１４で示されている。様々な種類の燃料電池システムの動作は当該分野で普通に知られており、一つの実施の形態を、共通に所有された米国特許第６，８４９，３５２号に見出すことができる。したがって、本発明に関係するような燃料電池システムの動作についてのみを、本明細書において説明することにする。

本明細書で説明されている例示的な実施の形態では、燃料電池システムは制御システム１６を備える。制御システム１６はライン１８によりモーター２０に接続される。モーター２０は圧縮機２２と結合される。圧縮機２２は流体により空気供給ライン２６を介して燃料電池スタック１０のカソード入口２４と連絡している。ライン２６は静的体積、距離、内部粗さ、層流及び／又は乱流の効果などの公知のガス流影響特性を有する封止された通路である。

空気流量センサ３０は圧縮機２２と加湿器２８との間のライン２６に配置される。空気流量センサ３０はライン３２を介して制御システム１６に連結される。空気流量センサ３０は粗さ、層流及び／又は乱流の効果などの公知のガス流影響特性を有する電気機械装置である。

温度センサ３１は圧縮機２２と燃料電池スタック１０のカソード出口４８との間のライン２６に接続される。温度センサ３１はライン５２を介して制御システム１６に連結される。温度センサ３１は粗さ、層流及び／又は乱流の効果などの公知のガス流影響特性を有する電気装置又は電気機械装置でもよい。

加湿器２８は空気流量センサ３０とカソード入口２４との間のライン２６に配置される。加湿器ユニット２８は粗さ、層流及び／又は乱流の効果などの公知のガス流影響特性を全てが有する複数の個別構成要素からなる。

さらに、他の実施の形態においては、空気流量センサ３０とカソード入口２４との間のライン２６に他の構成要素を配置し又は接続するようにしてもよい。
燃料電池スタック１０のカソード側１４は、当該分野で一般に知られている方法で接続された個別の燃料電池セルの複数のカソードを備える。それぞれの個別燃料電池セルは、カソード入口２４とカソード出口４８との間に、静的体積、距離、内部粗さ、層流及び／又は乱流の効果などの公知のガス流影響特性を全てが有する複数の流路を備える。

背圧弁２９は燃料電池スタックのカソード出口４８に接続される。また、背圧弁２９は、圧縮機２２と燃料電池スタック１０のカソード側１４との間のライン２６に接続されることが望ましい。背圧弁２９はライン５４を介して制御システム１６に連結される。背圧弁２９は粗さ、層流及び／又は乱流の効果などの公知のガス流影響特性を有する電気機械装置である。

ガス圧力センサ３３は燃料電池スタック１０のカソード出口４８に接続される。また、ガス圧力センサ３３は、圧縮機２２と燃料電池スタック１０のカソード側１４との間のライン２６に接続されることが望ましい。ガス圧力センサ３３はライン５０を介して制御システム１６に連結される。ガス圧力センサ３３は粗さ、層流及び／又は乱流の効果などの公知のガス流影響特性を有する電気機械装置である。

外部回路３４はライン３６を介して燃料電池スタック１０のカソード側１４に電気的に連結され、ライン３８を介して燃料電池スタック１０のアノード側１２に電気的に連結される。外部回路３４はライン４０を介して制御システム１６に連結される。

動作時に、空気はライン４２を介して引き込まれ、モーター２０により駆動される圧縮機２２により圧縮され、ライン２６を介して燃料電池スタック１０のカソード入口２４を通ってカソード口４８に供給される。空気が燃料電池スタック１０のカソード入口２４に到達するのに要する時間量は、ライン２６の静的体積、距離、内部粗さ、層流及び／又は乱流の効果などの、ライン２６のガス流影響特性によって影響される。空気が燃料電池スタック１０のカソード入口２４に到達するのに要する時間量も、空気質量流量センサ３０、ガス温度センサ３１及び加湿器２８を含むがこれらに限定されない、ライン２６に配置され又はライン２６に接続された構成要素の粗さ、層流及び／又は乱流の効果などのガス流影響特性の影響をさらに受ける。空気がカソード入口２４からカソード出口４８に移動するのに要する時間は、燃料電池スタック１０のカソード側１４上の複数の流路の静的体積、距離、内部粗さ、層流及び／又は乱流の効果というガス流影響特性によって影響される。

空気質量流量は空気流量センサ３０により測定され、ライン３２を介して制御システム１６に伝達されることができる。ガス温度はガス温度センサ３１により測定され、ライン５２を介して制御システム１６に伝達されることができる。ガス圧力はガス圧力センサ３３により測定され、ライン５０を介して制御システム１６に伝達されることができる。

制御システム１６は、ライン１８を介してモーター２０を制御することにより空気圧縮機２２の回転速度に影響を及ぼすことができ、したがって、空気圧縮機２２により送出される空気質量流量に影響を及ぼすことができる。制御システムは、さらに、ライン５４を介して背圧弁２９の位置に影響を及ぼすことができ、したがって、燃料電池システムのカソード側１４内のガス圧力に影響を及ぼすことができる。制御システム１６は、送出される空気質量流量及び燃料電池システムのカソード側１４のガス圧力に影響を及ぼすことにより、燃料電池システムのカソード側１４に所望の空気質量流量及び圧力を実現することができる。燃料電池システムのカソード側１４の所望の空気質量流量及び圧力は、スタック電流、電池セルの個数及び当該スタック電流における所望のカソード化学量論などの既知の変数を使用して計算される。

水素ガスは、ライン４４を介して当該分野において一般に知られている方法によりアノード側１２に送出される。当該分野においてそれ自体知られている反応が、カソード側１４の空気と燃料電池スタック１０のアノード側１２の水素との間に発生し、それによって、ライン３８を介して外部回路３４により引き出され得る電子が放出される。

燃料電池スタック１０のカソード側１４内に入るガスの圧力及び空気質量流量は、カソード側１４の空気とアノード側１２の水素との間の電子放出反応の反応速度に影響を及ぼし、したがって、外部回路３４により燃料電池スタック１０から引き出される、利用可能な電圧及び電流に影響を及ぼす。

制御システム１６は、ライン３２を介して受け取った空気質量流量フィードバックと、ライン５０を介して受け取ったガス圧力フィードバックと、ライン５２を介して受け取ったガス温度フィードバックと、空気流量に対するライン２６の静的体積及び距離の既知の影響と、燃料電池スタック１０のカソード入口２４からカソード出口４８までの複数の流路の静的体積及び距離の空気流量に対する既知の影響とを用いて、フィードバック遅延４６（図２）を計算する。

さらに、制御システムは、フィードバック遅延を計算する際に補助的な係数を使用することができる。内部粗さ、幾何学的形状、層流及び／又は乱流のガスに対する効果などの、ライン２６及びカソード入口２４とカソード出口４８との間の複数の流路の追加のガス流影響特性は、フィードバック遅延を計算する際の係数として使用することができる。空気質量流量センサ、ガス温度センサ、背圧弁、加湿器などの、ライン２６に配置され又は接続された構成要素のガス流影響特性も、フィードバック遅延４６を計算する際に入力として使用することができる。

フィードバック遅延４６は、外部回路３４が燃料電池スタック１０から電流を引き出すのを制御システム１６が遅延させる時間量である。制御システム１６は、フィードバック遅延４６の後に所望の空気質量流量が達成されたときに燃料電池スタック１０から電流を引き出すように、ライン４０を介して外部回路３４に影響を及ぼすことができる。フィードバック遅延の計算は、制御システムが瞬時に電流引き出しを調整するようにリアルタイムで行われる。

フィードバック遅延４６は、空気流量センサ３０と燃料電池スタック１０のカソード出口４８との間の距離及び体積を補償するために、及び、外部回路３４が燃料電池スタック１０から電流を引き出したときに燃料電池スタック１０のカソード出口４８において所望の空気質量流量が実際に存在することを保証するために実施される。フィードバック遅延４６は、さらに、ライン２６に配置された又は接続された構成要素の空気流量制限特性を補償することもできる。

また或いは加えて、制御システム１６は、本発明の範囲から逸脱することなく、遅延４６を決定する際にライン５０上のガス圧力信号及びライン５２上のガス温度信号を入力として使用することができる。さらに、制御システム１６は、本発明の範囲から逸脱することなく、空気量に対する層流及び／又は乱流の効果を要素として取り上げ、圧縮機２２とカソード出口４８との間の各構成要素の内部粗さを考慮することができる。

図２は、外部回路３４により実際に引き出されているスタック電流に基づく、カソード側１４で必要な空気質量流量と比較しての、燃料電池スタック１０のカソード側１４での実際の空気質量流量を例示している。ライン５６により、上方過渡電流期間において引き出されているスタック電流のアンペア値（ｙ軸）が時間（ｘ軸）に対して示されている。ライン５８は、時間に対する遅延のない反応部位における実際の空気流量の値（ｙ軸）を示している。スタック電流に基づく反応部位における必要な空気質量流量の値（ｙ軸）はライン６０により示される。遅延４６は、燃料電池スタック１０のカソード側１４における十分な空気量を保証する。

これまでの説明から、当業者は、本発明の本質的特性を容易に確認することができ、また、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明に対し様々な変更及び修正を加えて様々な用法及び条件に適合させることができる。

本発明の一つの実施の形態による燃料電池システムの略図である。 ｘ軸を時間とするグラフであり、図１に例示されている燃料電池システムのカソード側に対する実際の空気質量流量を、外部回路により引き出される電流に基づくカソード側での所要空気質量流量と比較して示す図である。

Claims (17)

1. 空気流量フィードバック遅延を使用して燃料電池システムにおける燃料電池出力増を管理するための方法であって、
   ａ．空気を供給する圧縮機と燃料電池スタックのカソード出口との間の前記燃料電池システムの空気流路のガス流影響特性を決定するステップと、
   ｂ．前記圧縮機と前記カソード出口との間の前記空気流路における空気質量流量を決定するステップと、
   ｃ．前記カソード側に対する前記燃料電池システムのガス圧力を決定するステップと、
   ｄ．前記ガス流影響特性、前記空気質量流量及び前記ガス圧力の関数として空気流量フィードバック遅延を計算するステップと、
   ｅ．外部回路が前記燃料電池スタックから電流を引き出すのを前記空気流量フィードバック遅延の大きさだけ遅延させるステップと、
   を含む方法。
2. 前記ステップａを、前記圧縮機を前記燃料電池スタックのカソード入口に連結するラインの距離及び静的体積と、前記カソード入口から前記カソード出口までの複数の流路とをモデル化することによって実行するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ステップａを、前記圧縮機を前記カソード入口に接続するラインの粗さ、幾何学的形状、層流及び／又は乱流の効果と、前記カソード入口からカソード出口までの前記複数の流路と、前記圧縮機をカソード出口に連結するラインに配置された構成要素とをモデル化することによって実行するステップを含む、請求項２に記載の方法。
4. 空気流量フィードバック遅延を使用して燃料電池システムにおける燃料電池出力増を管理するための方法であって、
   ａ．空気を供給する圧縮機と燃料電池スタックのカソード出口との間の前記燃料電池システムの空気流路のガス流影響特性を決定するステップと、
   ｂ．前記燃料電池スタックから所定の電流出力を提供するよう前記カソード出口において所要の空気質量流量を決定するステップと、
   ｃ．前記空気流路における所定の位置での実際の空気質量流量を決定するステップと、
   ｄ．前記実際の空気質量流量及び前記ガス流影響特性の関数として空気流量フィードバック遅延を計算するステップと、
   ｅ．外部回路が前記燃料電池スタックからの電流引き出しを増加させるのを前記空気流量フィードバック遅延の大きさだけ遅延させるステップと、
   を含む方法。
5. 前記ステップａを、前記圧縮機と前記燃料電池スタックのカソード入口との間に接続されるラインの静的体積、距離、内部粗さ、層流及び／又は乱流の効果のうちの少なくとも１つを決定することによって実行するステップを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記ステップａを、前記カソード出口と前記燃料電池スタックのカソード入口との間に接続される複数の流路の静的体積、距離、内部粗さ、層流及び／又は乱流の効果のうちの少なくとも１つを決定することによって実行するステップを含む、請求項４に記載の方法。
7. 前記ステップａを、前記空気流路に接続された空気流量センサの内部粗さ、層流及び／又は乱流の効果のうちの少なくとも１つを決定することによって実行するステップを含む、請求項４に記載の方法。
8. 前記ステップａを、前記空気流路に接続された背圧弁の内部粗さ、層流及び／又は乱流の効果のうちの少なくとも１つを決定することによって実行するステップを含む、請求項４に記載の方法。
9. 前記ステップａを、前記空気流路に接続されたガス圧力センサの内部粗さ、層流及び／又は乱流の効果のうちの少なくとも１つを決定することによって実行するステップを含む、請求項４に記載の方法。
10. 前記ステップａを、前記空気流路に接続された温度センサの内部粗さ、層流及び／又は乱流の効果のうちの少なくとも１つを決定することによって実行するステップを含む、請求項４に記載の方法。
11. 前記ステップａを、前記空気流路に接続された加湿器の内部粗さ、層流及び／又は乱流の効果のうちの少なくとも１つを決定することによって実行するステップを含む、請求項４に記載の方法。
12. 前記ステップｃを、空気質量流量センサを前記空気流路の前記所定の位置に接続した状態で実行するステップを含む、請求項４に記載の方法。
13. 前記ステップｄを、前記燃料電池スタックのカソードの前記実際の空気質量流量、ガス温度、ガス圧力及び静的体積の関数として前記空気流量フィードバック遅延を計算することによって実行するステップを含む、請求項４に記載の方法。
14. 空気流量フィードバック遅延を使用して燃料電池システムにおける燃料電池出力増を管理するための方法であって、
    ａ．前記燃料電池システムにおける所定の位置での所要の空気質量流量を決定するステップと、
    ｂ．前記燃料電池システムにおける所定の位置での実際の空気流量を決定するステップと、
    ｃ．前記所要の空気質量流量と前記実際の空気流量との関数として空気流量フィードバック遅延を計算するステップと、
    ｄ．外部回路が前記燃料電池スタックからの電流引き出しを増加させるのを前記空気流量フィードバック遅延の大きさだけ遅延させるステップと、
    を含む方法。
15. 前記ステップｃを、空気を供給する圧縮機と燃料電池スタックのカソード出口との間の前記燃料電池システムの空気流路のガス流影響特性に対する経験的モデルを生成することによって実行するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ステップｂを、空気質量流量センサを前記燃料電池システムにおける前記所定の位置に接続した状態で実行するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
17. さらに、前記ステップｃを、
    前記燃料システムにおける所定の位置での実際のガス圧力を決定するステップと、
    前記所要の空気質量流量、前記実際の空気質量流量及び前記実際のガス圧力の関数として空気流量フィードバック遅延を計算することによって実行するステップと、
    を含む、請求項１４に記載の方法。

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