JP2008501225A - 利用ベースの燃料電池のモニタリング及び制御 - Google Patents

Abstract

燃料電池システムの部材の作動を制御するための燃料電池システム及び方法であり、燃料供給源及び燃料電池スタックを含む。いくつかの例において、燃料供給源は、燃料電池スタックに供給燃料を供給圧力で提供するように構成される。燃料電池スタックは、供給アンペア数で電流を生成する。いくつかの例において、コントロールシステムは、燃料電池スタックで検出された圧力に基づいて燃料電池スタックの作動を制御するように構成される。いくつかの例において、目標供給アンペア数は、電流が所望の圧力で目標生成アンペア数で生成されるときに燃料電池スタックが供給燃料の所定の割合で消費するような、検出圧力に基づいて決定される。

Description

この発明の開示は、全体的に燃料電池システムに関し、そして、より具体的には、燃料電池システムの１又は２以上の変数を決定して、制御するためのシステム及び方法に関する。

電気化学的燃料電池は、燃料及び酸化剤を、電気、反応生成物、及び熱に変換する装置である。例えば、燃料電池は、水素及び酸素を水、電気及び熱に変換するように構成されてもよい。この種の燃料電池において、水素は燃料であり、酸素は酸化剤であり、そして、水は反応生成物である。

燃料電池スタックは、概して、２又は３以上の燃料電池を含み、互いにユニットとして連結された燃料電池群を含む。燃料電池スタックは、燃料電池システムに組み込まれうる。燃料電池システムは、概して、例えば燃料供給源及び／又は燃料プロセッサといった、燃料供給源を含む。そして、この燃料供給源は、１又は２以上の供給原料から燃料電池スタックのための水素ガス又は他の適切なプロトン源を生成する。燃料プロセッサの一例は蒸気改質装置であり、この蒸気改質装置は水素ガスを水及びカーボン含有供給原料から生成する。このシステムはバッテリバンクを含んでもよく、このバッテリバンクは、生成された電力及び酸素を燃料電池に供給する空気供給源を格納する。システムへの損害を防止して及び／又は運転条件の変更に応じて能率的にシステムを作動するように、システムの作動を調整するために燃料電池スタック及び他の燃料電池システム構成部材を制御するニーズがある。

本発明の開示は、燃料使用をモニタして及び／又は燃料使用に基づいて燃料電池スタックの作動を制御するためのエネルギー生成及び消費アセンブリ及び方法に関する。このエネルギー生成及び消費アセンブリは、供給圧力で供給料を燃料電池スタックに提供するように構成された燃料供給源を含んでもよい。この燃料電池スタックは、供給アンペア数で供給燃料の少なく一部から電流を生成するように構成されうる。コントロールシステムは、燃料電池スタックで圧力を検出して、前記検出圧力の少なくとも一つに基づいて生成された電流を制御するように構成されうる。コントロールシステムは、燃料電池スタックによって生成される電流を制御することによって予め定められた範囲の燃料利用率を維持するように構成されうる。

エネルギー生成及び消費アセンブリは、負荷（ロード）を燃料電池スタックに適用する、エネルギー格納／消費装置をさらに備えうる。供給アンペア数は、エネルギー格納／消費アセンブリ及び／又は、燃料電池スタックに適用される負荷を能動的に制御することによって制御されうる。コントロールシステムは、追加的に、又は代換的に、燃料供給源を能動的に制御することによって供給アンペア数を制御するようにも構成されうる。

いくつかのエネルギー格納及び消費アセンブリにおいて、燃料利用率、又は、供給量当たりの燃料消費量は、消費している若干のエネルギーにおいて、供給燃料の供給速度、及び、燃料電池スタックに適用される負荷の関数でありうる。例えば、固定された供給燃料の供給速度に対して、適用される負荷の増大は、電流及び燃費消費を増加させる。それによって、燃料利用率を増加させる。同様に、適用される負荷の減少は、電流の発生を減少させて、燃費を減少させる。それによって、燃料利用率を減少させる。

いくつかのアセンブリにおいて、エネルギー生成及び消費アセンブリへの汚染又は他の損害を防止するための、予め定められた最大燃料利用率がある。加えて、予め定められた最小限の燃料利用率が、供給燃料の過剰な浪費を防止するために存在しうる。適用された負荷を能動的に制御することによって燃料利用率を制御することは、前記利用率における応答性の改良及び多大な制御を可能とする。未使用燃料の流量に基づいて、燃料供給源を能動的に制御するとともに、適用された負荷を能動的に制御することで、広範囲にわたる運転条件に亘る燃料利用率のより大きな制御を許容しうる。

言及しているように、燃料電池スタックの作動を制御するための方法及び装置が開示されている。本明細書で用いているように、燃料電池スタックは、１又は２以上の燃料電池を含み、これは個別又は燃料電池の群のいずれかであり、そして、一般的なエンドプレート間に一組になった複数の燃料電池を典型的に含む。燃料電池システムは、１又は２以上の燃料電池スタック及び燃料電池スタックのための少なくとも一つの燃料供給源を含む。加えて、エネルギー生成及び消費アセンブリは、１又は２以上の燃料電池スタック、この燃料電池スタックのための少なくとも一つの燃料供給源、そして、燃料電池スタックに適用される負荷を働かせるように構成された少なくとも一つのエネルギー格納／消費アセンブリ、を含む。

後述される燃料電池スタック及びシステムは、例えばプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、アルカリ性燃料電池、固体酸化物燃料セル、融解炭酸塩燃料電池、リン酸燃料電池、及びその類似物といった、様々な異なるタイプの燃料電池と互換性を持つ。説明のために、ＰＥＭ型燃料電池の典型的な燃料電池２０は、図１において概略的に例示される。燃料電池は、例えば、符号２２で全体的に示されるように、燃料電池システムの一部を形成するとして、及び／又は、例えば、符号２４で全体的に示されるように、燃料電池スタックの一部を形成するとして、説明されうる。プロトン交換膜燃料電池は、アノード領域３０及びカソード領域３２の間に位置する、イオン交換又は電解質膜２８からなる膜電極アセンブリ２６を典型的に利用する。各領域３０及び３２は、電極３４、すなわち、アノード３６及びカソード３８、をそれぞれ含む。各領域３０及び３２は、例えば支持プレート４０といった支持材３９をも含む。支持材３９は、本願明細書において更に詳細に述べられる、バイポーラのプレートアセンブリの一部を形成することができる。燃料電池２０の支持プレート４０は、燃料電池によって生成される相対的な電位を持つ。

作動中において、燃料４２はアノード領域に供給される。その一方で、酸化剤４４はカソード領域に供給される。燃料４２は、供給燃料４２と称されうる。セル２０に対する典型的であるが排他的でない燃料は、水素であり、そして、典型的であるが排他的でない酸化剤は、酸素である。本明細書中で使用しているように、水素は水素ガスを示し、そして、酸素は酸素ガスを示す。以下の説明では、水素４２を燃料４２と、そして、酸化剤４４を酸素４４と称しうる。但し、他の燃料及び／又は酸化剤が使用されうることは本明細書の開示の範囲内である。

水素４２及び酸素４４は、それぞれの供給源４６及び４８から、任意の適切な機構を介して燃料電池のそれぞれの領域に運ばれうる。水素４２のための好適な燃料供給源４６の例としては、少なくとも一つの加圧力タンク、水素化物床、又は他の適切な水素ストレージ、及び／又は水素ガスを含む流れ（ストリーム）を発生する燃料プロセッサがあげられる。酸素４４の適切な供給源４８の実施例は、酸素又は空気の加圧力タンク、又は、ファン、コンプレッサ、ブロワ、又は、空気をカソード領域にあてるための他の装置を含む。

水素及び酸素は、概して酸化還元反応を経て互いにリンクする。膜２８が水素分子の通過を制限するにもかかわらず、主として膜のイオン伝導率によって、水素イオン（プロトン）がそれによって通過することができる。酸化還元反応の自由エネルギーによって、プロトンが水素ガスからイオン交換膜を通過する。膜２８は電気伝導性を有さない傾向もあるため、外部回路５０は残留する電子のための最低エネルギー路であって、図１に概略的に例示される。

実際には、燃料電池スタックは、概して、隣接する膜電極アセンブリを離隔するバイポーラのプレートアセンブリを有する複数の燃料電池を含む。バイポーラのプレートアセンブリによって基本的に自由電子がバイポーラのプレートアセンブリを介して第１のセルのアノード領域から隣接セルのカソード領域まで通過することができる。それによって、適用される負荷を充足させるために用いられうるスタックを通る電位を決める。この電子の正味の流れは、例えば少なくとも１つのエネルギー消費デバイス、エネルギー格納デバイス、燃料電池システム自体、エネルギー格納／消費アセンブリなどから、適用される負荷を充足させるために使用されうる電流を生じる。

エネルギー生成及び消費アセンブリは、図１において符号５６で全体的に例示されるが、少なくとも一つの燃料電池システム２２、及び、燃料電池システムに適用される負荷を働かせるように構成され、負荷適用アセンブリとも称されうる、少なくとも一つのエネルギー格納／消費アセンブリ５２を含む。少なくとも一つのエネルギー格納／消費アセンブリ５２は、燃料電池、又は、より典型的には燃料電池スタックに、電気的にリンクされてもよい。アセンブリ５２は、負荷をセル／スタック／システムに適用し、負荷を満たすためにそこからの電流を取り出す。この負荷は、適用負荷と称されてもよく、単数又は複数の熱及び／又は電気負荷を含んでもよい。本明細書中で使用しているように、「エネルギー格納／消費アセンブリ」及び「負荷適用アセンブリ」の語は、燃料電池、燃料電池スタック又は燃料電池システムに負荷を適用するように構成された１又は２以上の部材を示すために交換可能に用いることができる。負荷適用アセンブリ（又はエネルギー格納／消費アセンブリ）５２は、少なくとも１つのエネルギー貯蔵装置８６を含みうる。追加的に、又は、代換的に、負荷適用アセンブリ５２は、少なくとも１つのエネルギー消費デバイス８４を含みうる。エネルギー格納／消費、又は、負荷適用アセンブリ５２を含む部材の実例は、自動車、レクレーショナルビークル（ＲＶ車）、ボート及び他の海船舶、そして、１又は２以上の住居、商業事務所又は建物、近郊、ツール、照明及び照明アセンブリ、機器、コンピュータ、工業的設備、信号及び通信器材、電池、インバータ、及び、スタック２４が一部を構成する燃料電池システムに対するバランスオブプラントの消費電力、の任意の組合せを含みうる。負荷適用アセンブリ５２は、燃料電池システムに負荷を適用するように構成されうる、追加的な、及び／又は異なる部材を含みうる。

カソード領域３２において、外部回路からの電子及び膜からのプロトンは、酸素とリンクして、水及び熱を生じる。また、水素ガスを含みうるアノードパージ又は放出流５４、そして、典型的には少なくとも部分的に、そしてそうでなければ実質的に、酸素を減少させる、カソードエア放出流５５が、図１において示されている。燃料電池スタック２４が概して一般的な水素（又は他の反応体）供給源、空気取入口及びスタックパージを有し、流れを放出し、したがって、個々の燃料電池に関連する流れを送り、そして、個々の燃料電池から流れを集める好適な流体導管を含むことを理解すべきである。同様に、任意の適切な機構も、選択的に領域をパージするために用いられうる。

上記のように、多くの燃料電池スタックは、反応体又は燃料として水素ガスを利用する。従って、燃料電池スタック２４は、燃料電池システム２２を形成するために、水素ガス４２（そして、関連した輸送システム及びのバランスオブプラント部材）の供給源４６によってリンクされている。燃料電池システムの実例は、図２において概略的に例示される。図１に関して前述しているように、水素ガス４２の供給源４６の実施例は、図２に破線で示したように、水素ガスの格納供給源を含む格納デバイス６２を備えている。好適な格納デバイス６２の例としては、加圧力タンク及び水素化物床を含む。水素ガス４２の追加的又は代換的な供給源４６は、水素ガス４２を含有する流れを生成するために、又は、１又は２以上の精製ステップの後といった、水素ガス４２を含む流れが形成される反応生成物を生成するために、供給流を反応させることによって水素を生成する、水素生成燃料プロセッサからの生成流である。

図２の実線に示すように、燃料電池システム２２は、例えば燃料プロセッサ６４といった少なくとも一つの燃料供給源４６、及び、少なくとも一つの燃料電池スタック２４を含む。燃料プロセッサ６４は、１又は２以上の供給原料を含んでいる供給流６８から水素ガス４２を含んでいる生成水素流６６を発生するように構成されている。燃料電池スタックは、送出される生成水素流６６の部分から電流を発生するように構成されている。図の例では、単一の燃料プロセッサ６４及び単一の燃料電池スタック２４が示されている。しかしながら、これらの部材のいずれか一方以上又はいずれも、使用されうる。これらの部材が概略的に示されているが、燃料電池システムは、例えば空気輸送システム、熱交換器、センサ、流量制御装置、加熱アセンブリ及び類似物といった、図において特に例示されない追加的な部材を含んでもよい。

図示もされているように、水素ガスは、１又は２以上の燃料プロセッサ６４及び格納デバイス６２からスタック２４を届けられうるし、燃料プロセッサからの水素は、１又は２以上の格納デバイス及びスタック２４に届けられうる。いくつかの又は全部の流れ６６は、追加的に、又は、代換的に、適切な導管を介して、他の水素消費プロセスに使用する法ために届けられ、燃料又は熱のために燃焼され、又は、後の使用のために格納されうる。

燃料プロセッサ６４は、水素ガスを１又は２以上の供給流から生成する任意の適切なデバイスも含む。したがって、燃料プロセッサ６４は、水素ガスから少なくとも実質的に成る流れが１又は２以上の供給流から生成される水素生成領域７０を含むものとして記述されうる。供給流６８から水素ガスを生成するための好適な機構の実施例は、水蒸気改質及び自己熱改質を含み、その中で、改質触媒は、水を含む供給流及び少なくとも一つのカーボン含有供給原料から水素ガスを生成するために使用される。水素ガスを生成する他の適切な機構は、カーボン含有供給原料の熱分解及び触媒部分酸化を含み、その場合には、供給流は水を含まない。水素ガスを生成するさらに別の適切な機構は電気分解であり、その場合には、供給原料は水である。好適なカーボン含有供給原料の例としては、少なくとも一つの炭化水素又はアルコールがあげられる。好適な炭化水素の例としては、メタン、プロパン、天然ガス、ディーゼル、灯油、ガソリン及びその類似物があげられる。適切なアルコール類の例は、メタノール、エタノール、及び、例えばエチレングリコール及びプロピレングリコールといった多価アルコールを含む。

供給流６８は、任意の適切な機構及び／又は、任意の適切な供給原料輸送システムを介して燃料プロセッサ６４に届けられうる。図２の実線において単一の供給流６８だけが示されているが、同一又は異なる供給原料を含みうる（一点鎖線において概略的に例示されるように）２以上の流れ６８が使用されうることは本明細書の開示の範囲内である。本明細書中で使用されているように、「燃料処理アセンブリ」の語は、燃料プロセッサ、及び、例えば供給原料輸送システム、加熱アセンブリ、分離及び／又は精製領域又はデバイス、空気輸送システム、燃料輸送システム、流体導管、熱交換器、燃料プロセッサ制御装置といった、燃料電池システムの関連部材を指すように使用されうる。これらの図示された部材のすべては、任意の燃料処理アセンブリにおいて含まれることを必要とされず、又は、本明細書の開示に従って任意の燃料プロセッサで使用されることを必要としない。同様に、他の部材が、含まれ又は使用されてもよい。

多くの用途において、燃料プロセッサが少なくとも実質的に純粋な水素ガスを生成することが望ましい。したがって、燃料プロセッサは、本質的に十分に純粋な水素ガスを生成するプロセスを利用しうる。あるいは、燃料処理アセンブリ及び／又は燃料プロセッサは、燃料プロセッサにおいて生成される水素ガスから不純物を除去する１又は２以上の適切な精製及び／又は分離デバイスを含みうる。領域７０が純粋な水素ガスを生成しないときに、流れ６６は、一酸化炭素、二酸化炭素、水、メタン及び反応していない供給原料といった図示の不純物の１又は２以上を含みうる。別の例として、燃料処理システム又は燃料電池システムは、燃料プロセッサの下流に、１又は２以上の精製及び／又は分離デバイスを含みうる。これは図２において概略的に例示される。そこにおいて、分離領域７２は一点鎖線で示される。燃料プロセッサ６４が分離領域７２を含むときに、水素生成領域は、水素ガス及び他のガスを含む混合ガス流れを生成するものとして説明されうる。ここで、水素ガスは、この混合ガス流れの主要成分である。多くの好適な分離領域は、この混合ガス流れから、例えば流れ６６といった、少なくとも一つの生成流を生成する。流れ６６は、少なくとも実質的に純粋な水素ガス、及び、少なくとも実質的に他のガスを含有する、少なくとも一つの副産物流を含む。混合ガス流れ及び副産物流れは、それぞれ図２において符号７４及び符号７６で概略的に例示されている。単数又は複数の分離領域は、燃料プロセッサに付設され、又は、燃料プロセッサから離隔して位置された（ただし、依然としてプロセッサとの流体の連通している）、共通のシェルの範囲内において水素生成領域で収納されうる。

分離領域７２は、水素ガスの純度を増加させるための、及び／又は、水素ガスに混合しうる１又は２以上の他のガス（例えば一酸化炭素及び／又は二酸化炭素）の濃度を減少させるための、任意の方法又は機構を利用しうる。適切なプロセスの実例は１又は２以上の化学分離プロセス及び物理分離プロセスを含む。この化学分離プロセスにおいて、１又は２以上の他のガスは、選択的に吸着されるか又は反応を起こして、これにより水素ガスから分離される。この物理分離プロセスにおいて、吸着材料又は膜分離部材は、混合ガス流れを少なくとも一つの生成物及び副産物流れに選択的に分けるために用いられる。好適な物理分離プロセスの例としては、圧力駆動分離プロセスがあげられる。この圧力駆動分離プロセスにおいて、混合ガス領域と、分離プロセスを駆動する分離領域における少なくとも一つの透過水又は生成物領域間の圧力差を有する、圧力下で混合ガス流れが適切な分離部材と接触するように輸送される。

図示している化学分離プロセスは、流れ７４に存在する一酸化炭素の濃度を選択的に低下させるためのメタン生成触媒の用法である。他の図示している化学分離プロセスは、（水素ガス及び二酸化炭素を水及び二酸化炭素から発生するための）二酸化炭素及び水性ガスシフト反応物を形成するための、一酸化炭素の部分酸化を含む。

適切な圧力駆動分離プロセスの非限定的な実施例は、１又は２以上の水素−選択性膜の使用及び圧力揺動吸着システムの使用を含む。適切な水素−選択性膜の実例は、パラジウム及び銅又は銀の合金といった、パラジウム又はパラジウム合金から形成される膜を含む。薄い平面の水素透過性膜は、パラジウム合金、最も特に、４５重量％から３５重量％の銅、例えばほぼ４０重量％の銅を有するパラジウムで、構成されることが好ましい。これらの膜は、水素−選択性膜とも称されうるが、厚さほぼ０．００１インチである薄箔から典型的に形成される。しかしながら、膜が、水素選択金属、及び、水素透過性で選択的なセラミック又はカーボン組成物について上述した以外の金属合金から形成されうることは、本明細書中の開示の範囲内である。膜は、上述したものよりも大きい又は小さい厚みを有してもよい。例えば、水素流れの相応の増加とともに、膜はより薄くしてもよい。

水素−透過性膜は、組み込まれた特許出願において開示されるような一般の透過水チャネル周辺に一対で配置されるような、任意の適切な構成において配置されることができる。単数又は複数の水素透過性膜は、管状構成といった他の構成をとってもよく、組み込まれた特許において開示されている。分離領域７２に用いられる適切な構造の実施例は、膜モジュールであり、これは１又は２以上の水素透過性膜を含む。適切な水素−選択性膜、膜形成及び使用方法、及び、１又は２以上の水素−選択性膜を含む分離デバイスの例は、米国特許第６，３１９，３０６号明細書、第６，５３７，３５２号明細書及び第６，５６２，１１１号明細書において開示される。そして、その完全な開示は本願明細書に全ての参照の目的によって組み込まれている。

分離領域７２に用いられる適切な圧力−分離プロセスの他の実施例は、圧力揺動吸着（ＰＳＡ）である。圧力揺動吸着（ＰＳＡ）プロセスにおいて、ガス状の不純物は、流れを含んでいる水素ガスから除去される。ＰＳＡは、特定のガスが、温度及び圧力の適切な条件の下で、他のガスより強く吸着材料上へ吸着される原理に基づく。概して、吸着されて混合ガス流れから取り除かれるのは、不純物である。

燃料電池システムとの関連において、燃料プロセッサは、実質的に純粋な水素ガスを生成するように構成されることが好ましく、そして、燃料プロセッサは、純粋な水素ガスを生成するように構成されることがさらに好ましい。本明細書中の開示の目的のために、実質的に純粋な水素ガスは、９０％の純度より大きく、好ましくは９５％の純度より大きく、より好ましくは９９％の純度より大きく、そして、さらにより好ましくは９９．５％の純度より大きい。適切な燃料プロセッサの例示的な非限定的な実施例は、米国特許第６，２２１，１１７号明細書、第５，９９７，５９４号明細書、第５，８６１，１３７号明細書及び継続中の米国特許出願公開第２００１／００４５０６１号明細書において開示される。上述した特許及び特許出願の完全な開示は、全ての目的のために参照として本願明細書に組み込まれている。

図２も、燃料電池システム２２が少なくとも一つのエネルギー貯蔵装置７８を（必須ではないが）含みうることを図式的に表す。装置７８は、燃料電池スタック２４によって生成される少なくとも一部の電流を格納するように構成されている。より詳しくは、電流は、例えばエネルギー格納／消費アセンブリ５２及び／又は燃料電池システム２２からといった、適用される負荷を満たすために後で使用しうる貯蔵を確立することができる。エネルギー格納／消費アセンブリ５２は、１又は２以上のスタック２４及びエネルギー貯蔵装置７８にその負荷を適用するように構成されうる。適切なエネルギー貯蔵装置７８の実例は電池である、しかし、他に使用されてもよい。エネルギー貯蔵装置７８は、システムのスタートアップの間、燃料電池システムに電力を供給するために、追加的に、又は、代換的に使用されうる。エネルギー貯蔵装置７８が燃料電池スタック２４に負荷を適用するように構成されうることは、本明細書中の開示の範囲内である。この場合において、エネルギー貯蔵装置７８は、負荷適用アセンブリ又はエネルギー格納／消費アセンブリの他の例示的な実施例、又はこの部品の他の例示的な実施例である。エネルギー生成及び消費アセンブリ５６が、２以上の適用アセンブリ５２を含むことは、本明細書中の開示の範囲内である。

また、エネルギー格納／消費アセンブリ５２の作動を制御するように構成され、そして、燃料電池スタック２４及び／又は燃料供給源４６の作動を制御するようにも構成されうるコントローラ８２を有するコントロールシステム８０が図２に示されている。エネルギー生成及び消費アセンブリ５６の性能は、作動パラメータ及びコントロールシステム８０によって検出される作動パラメータの変化に応答して、調整されて自動的に調節される。

コントローラ８２は、ユニットとして使用されるものとして、図２において例示される。コントローラ８２は、例えばエネルギー格納／消費アセンブリ用コントローラ、燃料電池スタック用コントローラ及び燃料供給源用コントローラといった、別々のコントローラとして使用してもよい。そして、このような個々のコントローラは、適切な通信リンクを介して各々と通信することができる。コントロールシステム８０は、メモリのソフトウェアとして格納されるオペレーティングプログラムのための１又は２以上のアナログ又はデジタル回路、論理演算装置又はプロセッサを含んでもよく、示されているように、各々と連通して１又は２以上の別々の装置を含んでもよい。

図２に示される実例において、コントローラ８２は、通信リンク９４を介してエネルギー格納／消費アセンブリ５２と通信して、適切な通信リンク９６及び９８を介して、燃料電池スタック２４及び燃料供給源４６にそれぞれ通信しうる。また、図示されない他のリンクも、使用されうる。例えば、酸素供給源４８、水素格納装置６２、その他に対するリンクがあってもよい。そして、リンク９４、９６及び９８は少なくともコントローラとの片方向通信を可能にする。あるいは、１又は２以上のリンクはコントローラとの双方向通信を可能とする。それによって、コントローラが、アセンブリ５２、スタック２４及び供給源４６の選択値又は選択変数を測定又は監視することを可能にし、典型的に１又は２以上の測定値に応じてこれらのユニットの作動の制御も可能とする。このリンクは、所望のモニタリング及び制御をするための任意の適切なインタフェース、アクチュエータ及び／又はセンサを含みうる。コントロールシステム８０は、センサ、スイッチ、フィードバック機構、他の電気及び／又は機械式回路、などを含むか、又は通信しうる。検出されうる燃料電池スタック２４の値には、スタックにおける１又は２以上の位置での圧力、スタック電流、スタック電圧力、適用される負荷、燃料供給圧力、不使用燃料流量、不使用燃料圧力、スタック温度、水誘電率、エアフロー、排出状況、が含まれうる。

燃料プロセッサ６４の形で燃料供給源４６に対してモニタされうる値の例としては、燃料プロセッサの作動モード、供給原料の供給、水素ガスの発生率、作動温度、及び、燃料を生成するための化学的方法のストイキオメトリが挙げられる。酸素供給源４８のためのモニタされた値の例は、空気が燃料処理用アセンブリ及び燃料電池スタックに供給されている率である。酸素供給源４８が燃料供給源及び／又は燃料電池のいずれか又はいずれもに組み込まれているときに、その作動及び測定は概して、組み込まれているユニットに対して対応するリンクに組み込まれる。

エネルギー格納／消費アセンブリ５２においてモニタされうる値の例は、燃料電池スタックで用いられる適用負荷である。これらの値の全てが必ずしも本質的であるというわけではなく、そして、特定の要件及びエネルギー生成及び消費アセンブリ、アセンブリの複雑性、制御の所望の基準、特定のユーザの好みに応じて、他の値は同様に測定されうる。コントロールシステム８０は、次図に関連してより詳細に説明される。

燃料プロセッサのための、作動の典型的モード、又は状態は、始動（スタートアップ）、シャットダウン、アイドル、実ライン運転（ランニング）（アクティブ、水素生成）、及び停止（オフ）、を含む。そして、停止状態にあって、燃料プロセッサは、水素ガスを生成しておらず、水素ガスを生成するために、適切な運転条件に維持されていない。例えば、燃料プロセッサは、任意の供給流を受け入れなくてもよく、加熱されなくてもよい、等である。

始動運転状態において、燃料プロセッサはオフ状態から、水素ガスを生成するための所望のパラメータで燃料プロセッサが作動するその実ライン運転状態まで移ラインして、燃料は供給原料を受け取り、そこから燃料電池スタック及び／又は水素ストレージ装置への輸送のための水素ガスの名目流量より多く流れを発生する。したがって、スタートアップ状態で、燃料プロセッサは、水素ガスを生成するための例えば温度及び圧力といった所望の運転条件に移ラインされる。例えば、蒸気改質装置の形態である燃料プロセッサは、概して２００℃及び８００℃の範囲の温度で、そして、５０ｐｓｉ及び１０００ｐｓｉ（ゲージ）の範囲の圧力で作動する。但し、例えば、特定の種類及び使用される燃料プロセッサの構成に依存して、これらの範囲外の温度及び圧力を用いることは開示の範囲内である。

待機、又は、アイドル、運転状態において、燃料プロセッサは、任意の水素ガスを生成せず、又は、燃料電池スタック又は水素貯蔵装置に概して分配されていない、水素ガスの名目流量を生成しうる。その代わりに、任意の生成された水素ガス（又は他の出力流）も典型的に排出されるか又はバーナー又は他の加熱アセンブリの可燃性燃料として利用される。この加熱アセンブリは、適切な温度又はその付近で、又は、水素ガスを生成するための温度の選択された範囲の中で燃料プロセッサを維持するように構成されうる。しかしながら、アイドル運転状態において、１又は２以上の予め定められた運転条件の発生に、燃料プロセッサがその実ライン運転状態に復帰しうるように、燃料プロセッサは水素ガスを生成するための所望の作動パラメータに典型的に維持される。アイドル運転状態において、上述した水素の名目流量が、生じている場合、燃料電池システムを駆動及び／又はシステムのエネルギー貯蔵装置を再充電するのに十分な電流を生じるために十分な流量であることは、本明細書中の開示の範囲内である。シャットダウン運転状態において、燃料プロセッサは、例えばそのランニング又はアイドル運転状態から、オフ運転状態に移行していく。

図３は、燃料電池スタック２４、燃料供給源４６及びコントロールシステム８０を含むように構成されているエネルギー生成及び消費アセンブリ５６の概略的にある。供給燃料４２は、供給圧力Ｐ１で、そして、燃料供給源４６から燃料電池スタック２４のアノード領域への供給流量Ｆ１として、流れる。スタック２４は、電力を発生するために、少なくとも流量Ｆ１の部分Ｐ３を処理する。残留する不使用燃料は、流量Ｆ２と称され、少なくとも一つの出口オリフィス９０を通して、放出流５４としてスタックから放出される。したがって、燃料電池スタック２４の燃料流量は、方程式Ｆｌ＝Ｆ２＋Ｆ３で表されうる。

燃料電池スタック２４からの不使用燃料の放出は、連続的でもよいし、又は、断続的でもよい。いずれの実施例でも、流れ５４による物理的放出が断続的でありうる場合であっても、不使用燃料Ｆ２の生成は定常流であると考えてもよい。不使用燃料Ｐ２の断続的な物理的放出の場合、不使用燃料の流量は、放出されるまで、燃料電池スタック２４に蓄積する。間欠放電間のタイミングは、所定の期間に設定されてもよく、又はコントローラ８２又は他のコントローラを介したコントロールシステム８０によって制御されてもよい。

燃料電池スタック２４は、適切な導体８８を経たエネルギー格納／消費アセンブリ５２又は一連の導体論理積回路に電気的にリンクされる。上述のように、エネルギー格納／消費アセンブリ５２は、１又は２以上のエネルギー消費装置８４及び／又は１又は２以上のエネルギー貯蔵装置８６を含みうる。本願明細書において述べられるように、エネルギー格納／消費アセンブリ５２は、燃料電池スタック２４への適用負荷を作動させるように構成されうる。

図示されているように、コントローラ８２は、放出流５４の燃料電池スタック２４から放出される不使用燃料の圧力Ｐ２を検出するように構成されている圧力計１０６とのリンク１０４を介して通信するように構成されている。圧力計１０６は、間欠放電構成といった、燃料電池スタック２４の（蓄積している）不使用燃料の圧力Ｐ２を検出するように構成されうる。本明細書中で使用しているように、出口圧力Ｐ２を検出する圧力計１０６への言及又は出口圧力Ｐ２への他の言及は、エネルギー生成及び消費アセンブリの構成に応じて、放出流５４での圧力、又は、燃料電池スタックでの圧力を示すことを意図している。

同様に、コントロールシステム８０は、圧力計１０２と通信するリンク１００を含んでもよく、これは、供給流量Ｆ１の供給燃料４２の圧力Ｐ１を検出するように構成されている。圧力計１０２は、燃料電池スタック２４内の圧力変化を検出するために燃料電池スタック入口で圧力Ｐ１を検出するように構成されうる。圧力計１０６及び出口圧力Ｐ２と同様に、エネルギー生成及び消費アセンブリの構成に応じて、本願明細書における圧力計１０２及び供給圧力Ｐ１への言及は、燃料電池スタックで、又は、燃料電池スタック及び燃料供給源との間で検出される圧力を示すことを意図している。

不使用燃料の連続放電を伴う、本明細書中の開示によるエネルギー生成及び消費アセンブリ５６におけるいくつかの実施例において、燃料電池スタック２４に亘る圧力低下は、最小限となる。従って、供給圧力Ｐ１、出口圧力Ｐ２、及び、燃料電池スタックの圧力は、実質的に同一であってもよい。同様に、間欠放電アセンブリで、燃料電池スタックの圧力は、燃料入口に印加される背圧力のため、供給圧力Ｐ１と実質的に同一でありうる。したがって、本願明細書における図面及び説明が特に出口流量、出口圧力、供給圧力、供給流量、燃料電池スタック圧力、に特に言及しているが、このような参照及び説明はすべて、スタックの中での、又は、スタックに連通する流体中での、燃料電池スタックの圧力又は流量を測定することを全体的に示すことを意図している。後述するように、燃料電池スタックでの圧力及び／又は流量の基準が、供給流量Ｆ１上の圧力安全弁又は圧力制御器の前又は後で測定される圧力又は流量を含むものであることは、本明細書中の開示の範囲内である。従って、本明細書中の開示の範囲内において、燃料電池スタックに関する圧力及び／又は流量は、スタックへの輸送の前に、及び／又は、スタックから排出された後に、測定されうる。後述する特定の実施例は、例示目的のみである。

コントロールシステム８０及びコントローラ８２は、追加的なコントローラ及びリンクを含んでもよい。加えて、これらの図示する通信リンク及び相互関連性の全てが、必須というわけではない。図示している非限定的な実施例として、いくつかの実施例は、供給燃料の圧力を測定しなくてもよく、及び／又は、リンクが燃料供給源になくてもよい。

上記のように、エネルギー生成及び消費アセンブリ５６及び燃料電池システム２２は、異なるモードの燃料電池スタック２４から不使用燃料を放出するように構成されうる。これらのモードは、少なくとも連続ブリードモード、及び、断続的な、又はパージベースモードを含む。連続ブリードモードにおいて、不使用燃料は、燃料電池スタックによる電気の生成中に、燃料電池スタック２４から、連続的に、そして、並ラインして放出される。間欠モードにおいて、不使用燃料は、周期的に放出されて、燃料電池スタックをパージしうる方法で放出されうる。

連続ブリードモードで作動されるいくつかの燃料電池システム２２において、出口オリフィス９０は特定の用途に適切な固定サイズ及び／又は流れ特性（サイズ及び流れ特性を組合せたオリフィスの組合せを含む）を有してもよく、そして、出口圧力及び流量は燃料電池によって消費される供給圧力及び流量に依存する。例えば、直径０．０３３インチといった直径０．１インチ未満の出口オリフィス、又は、直径０．０２−０．０７インチの範囲の他の選択された（総体的な）サイズのものが、使用されうる。特定の直径を有する円形のオリフィスが述べられているが、出口オリフィスは、単一のオリフィス又はオリフィスの組合せといった、特定のシステム及び／又は用途のために、任意の適切な個々の及び／又は、総体的な断面サイズ、形状及び／又は流れ特性を有しうる。

連続ブリードモードで作動される燃料電池システム２２の他の実施例において、コントロールシステム８０は、１又は２以上の出口オリフィスのうちの少なくとも１つのサイズを制御するように構成されうる。図３において図式的に例示されるように、コントローラ８２は通信リンク９７を介して出口オリフィス９０に任意的に結合されうる。このような実施例において、出口オリフィス９０は、オリフィス調整弁９２を備えてもよい。出口オリフィスのサイズを制御することによって、放出流５４の不使用燃料流量の率は制御され、出口圧力Ｐ２は制御される。いくつかの燃料電池システム２２において、出口圧力の変化は、供給圧力Ｐ１において対応する変化をもたらす。出口オリフィスのサイズを制御することは、少なくとも一つの他の部材の機能に影響を及ぼすためにエネルギー生成及び消費アセンブリの１つの変数を能動的に制御する方法の１つの実施例である。例えば、出口オリフィス９０のサイズを減らすことによって放電率が低下する。そして、これは、いくつかのアセンブリにおいて、利用率を増加させうる。本明細書において、単に出口オリフィスと称されるにもかかわらず、複数のオリフィスが用いてもよく、及び／又は、２つ以上の放出口又は他の開口が出口オリフィスと集合的に呼ばれうることは、本明細書中の開示の範囲内である。

間欠モードにおいて作動される燃料電池システム２２におけるいくつかの実施例において、オリフィス９０は、閉止され続けられ、又は、少なくとも不使用燃料の放出間において、実質的に閉止される。そして、燃料電池スタックは、燃料が消費量に合致又はほぼ合致する率で供給されるように作動される。

燃料電池のパージ又は放出中において、燃料が急速に出口オリフィス９０中を流れうるように、弁９２は広く開かれうる。必須ではないが、パージ間の期間は、放出の継続よりもより長くなってもよい。例えば、１秒のパージは、燃料電池スタックの作動の３０秒ごとに発生するようにしてもよい。各パージの間に１リットルの燃料が放出される場合、そして、４９リットルの燃料が、パージ間の電気の生成において消費され、燃料電池スタックが燃料の９８パーセントを用いている。このように、燃料電池スタックは、燃料の９８％の利用率を有しているとして記述されうる。

各パージの持続時間、パージの頻度、又は、これらの両方は、通信リンク９７を経た出口オリフィス９０へのリンクコントローラ８２などによって、いくつかの燃料電池システムにおいて様々である。パージの頻度及び／又は期間を変化させることによって、燃料利用の制御が提供されうる。燃料電池システムの所与の運転条件に対して、パージの期間又は頻度の増加は、燃料利用の対応する減少をもたらす。他の実施例において、パージの頻度及び／又は期間を変えることは、選択された利用水準を維持するために実行されうる。例えば、燃料電池スタックによる燃料の縮小された消費水準、又は、縮小された供給燃料圧力Ｐ１で、パージは、より短期間及び／又は減少した頻度になりうる。逆に、より高い消費水準及び／又はより高い供給燃料圧力で、パージは、より長期間及び／又は増加した頻度になりうる。パージの頻度及び期間が、燃料電池スタックによって消費される燃料の量又は燃料電池スタックによって生成される電流といった、エネルギー生成及び消費アセンブリの１又は２以上の変数に基づいて能動的に制御されるような断続的なパージ作動は、本明細書中の開示の範囲内に含まれる。

上記のように、コントロールシステム８０は、燃料供給源、燃料電池スタック又はエネルギー格納／消費アセンブリと関連した値を含むエネルギー生成及び消費アセンブリの１又は２以上の変数をモニタするように構成されうる。「関連された」ものによって、コントロールシステム（及び／又はコントローラ）が、対応する流れ又は部材の変数を、測定、算出、又は、さもなければ、直接又は間接的に、検出するように構成されていることが意味される。測定量の値は、コントロールシステムに直接入力されうる。しかしながら、コントロールシステム（及び／又はコントローラ）が、変数（例えばそのデジタル表記、閾値又はその前回値に基づく変数の値を表すエラー信号、測定量の規格化又はスケール値、など）の測定値を表すか、又は、導出される入力を受信するように構成されていることは、本明細書中の開示の範囲内である。

本願明細書において更に詳細に述べられるように、コントローラは、水素流と関連した変数といった変数に（少なくとも一部において）応答した燃料プロセッサ及び燃料電池スタックの作動といった、燃料電池システムの１又は２以上の機能部材の作動を制御するように構成されうる。所与の変数が特定の部材とより密接に関連しうる一方、ある変数は２又は３以上の部材に直接、又は、間接的に影響を及ぼしうる。例えば、燃料プロセッサへの供給原料流の圧力は、燃料供給源に最も密接に関連しうるが、間接的に、電流を生じる燃料電池スタックの能力に影響を及ぼす。本明細書中で使用しているように、２つ以上の機能部材に影響を及ぼす変数は「共通変数」と称されうる。そして、それは共用変数又は相互の変数と称されうる。このような変数の例示的な（非限定的な）実施例は、燃料プロセッサによって生成されて、燃料電池スタックによって消費される水素（又は他の燃料）流６６の圧力である。

図３の参照を続けると、本明細書中の開示のいくつかの構成において、コントロールシステム８０は、燃料供給源４６及び燃料電池スタック２４を含む、燃料電池システムの作動を制御するように構成されうる。そして、燃料供給源４６及び燃料電池スタック２４は、これらのいずれにも共通し、又は、関連しうる、変数に少なくとも一部基づいている。より詳しくは、コントロールシステム８０は、変数の値、燃料プロセッサ及び燃料電池スタックの運転状態、に関連した入力に少なくとも一部応答して、制御するように構成されうる。
この制御は、特定の閾値を上回る変数の値に応じて、単にシャットダウンするかシステムを開始することを超えたものでありうる。例えば、コントロールシステム８０は、変数をモニタして、作動中の運転状態の燃料電池システムを維持するように構成されうる。この運転状態において、燃料プロセッサは、燃料（例えば水素ガス）を生成し、そして、燃料電池スタックは、燃料及び酸化剤を受け入れて、例えば適用される負荷を満たすために、電流を発生する。コントロールシステムは燃料プロセッサの作動中の運転状態を調整するように構成され、そして、作動中の運転状態の燃料電池システムを維持する燃料電池スタックは、少なくとも変数を表す測定値に少なくとも一部基づいている。このように、この制御は、１又は２以上の適用負荷を燃料電池システムに制限し、値の選択範囲内に変数の値を維持してこれによってアクティブ作動状態において燃料電池システムを維持するために水素ガス（又は他の燃料）の生成率を調整すること、を含む。このような実施例では、コントロールシステム（及び／又はコントローラ）は、燃料電池システムの作動を選択された閾値内で所与の変数（例えば水素（又は他の燃料流）の圧力）を維持するために制御すると記述されうる。

本明細書で使用されるように、コントロールシステム８０（及び／又はコントローラ８２）が燃料プロセッサ又は燃料電池スタックの作動又は運転状態を制御するものと記述されるときに、この制御は、燃料処理用アセンブリ（燃料プロセッサと関連した燃料プロセッサ及び／又は部材）の構成要素又は燃料電池システム（燃料電池スタックと関連した燃料電池スタック及び／又は部材）の作動を制御することであるか、及び／又は、それを含んでいてもよい。実例として、燃料プロセッサの作動は、カーボン含有であるか他の供給原料が燃料プロセッサに（例えば、供給原料を燃料プロセッサに輸送するように構成されている供給原料配送システムの作動を制御することによって）輸送される１又は２以上の率、燃料プロセッサを加熱するように構成されているバーナー又は他の加熱アセンブリの作動、燃料プロセッサの圧力など、を調整することによって制御されうる。関連がある実施例として、燃料電池スタックの作動は、燃料電池スタックへの酸化剤及び／又は水素ガスの１又は２以上の流量、このスタックに関連する冷却又は他の熱交換アセンブリ、スタックに適用される負荷、などを調整することによって制御されうる。

いくつかの実施例において、コントロールシステム８０は、燃料電池スタックへの供給燃料の流量に少なくとも一部に基づき、燃料供給源４６及び／又は燃料電池スタック２４を制御するように構成されうる。例えば、供給燃料の生成は、エネルギー格納／消費アセンブリ５２の電気的負荷を満たすために要求されるような、関連する化学的方法及び／又は燃料処理用アセンブリの生成効率のストイキオメトリを制御することによって、及び／又はストレージ装置から供給燃料の放出を制御することによって、及び／又は、燃料供給源４６の、運転状態、生成効率、その他を調整することによって、制御されうる。燃料電池システムのいくつかの実施例において、燃料の流量Ｆ１は、直ちに直接的には測定されない。そして、この種の実施例において、流量Ｆ１は、流量Ｆ３によって表される、スタックによって消費された燃料、及びオリフィス９０から放出される不使用燃料の流量Ｐ２を決定することによって、間接的に決定されうる。

追加的な実施例として、コントロールシステム８０は、生成される電力基準を検出して、燃料電池スタックによって生成される電力の所与の水準に対して所与の割合の供給燃料を燃料電池スタックが消費する目標供給圧力を決定して、目標供給圧力に基づいて燃料電池スタックの作動を制御するように、構成されていると記述されうる。例えば、燃料供給源及び／又は燃料電池スタックは、燃料供給源又は出口圧力を目標圧力について維持するように制御されうる。更に、コントロールシステムは、供給圧力又は出口圧力を目標圧力に変えるように燃料供給源の作動を制御するように更に構成されうる。燃料電池スタックによって生成される電力の変化は検出され、そして、目標供給圧力はこの電力の検出変化に基づいて変わりうる。燃料供給源が供給燃料を１又は２以上の供給原料から生成するように構成されている実施例において、コントロールシステムは、決定された目標圧力に基づいて及び／又は供給燃料の決定された流量に基づいて燃料供給源によって供給原料の使用を制御するように構成されうる。燃料供給源が供給燃料を生成する燃料プロセッサを含む実施例において、コントロールシステムは、供給燃料の決定された流量に基づいて化学的方法のストイキオメトリを決定して、決定されたストイキオメトリに基づいて供給燃料の生成を制御するように構成されうる。

図４は、エネルギー生成及び消費アセンブリ５６の実施例を示し、変数１０９にいずれも影響する第１部材１０７及び第２部材１０８を機能又は作動する。いくつかの以下の実例において、変数１０９は、燃料流６６における水素ガス４２の圧力Ｐ、又は、燃料電池スタック２４での圧力Ｐであってもよく、含んでいてもよい。説明されるように、上述した１又は２以上の変数を含む、他の変数が利用されうることは、本明細書中の開示の範囲内である。以下の実施例では、第１及び第２の部材１０７、１０８は、燃料プロセッサ４６及び燃料電池スタック２４として例示されて説明される。そして、その１又は２以上は変数１０９の値に基づくコントロールシステム８０によって制御されうる。本願明細書において更に詳細に述べられるように、燃料プロセッサ及び燃料電池スタックは、本明細書中の開示の範囲内の第１及び第２の部材の排他的な組ではない。例えば、第１及び第２の部材１０７、１０８は、エネルギー格納／消費アセンブリ５２及び燃料供給源４６、又は、エネルギー生成及び消費アセンブリの他の構成要素を表しうる。

図４において概略的に例示されるように、コントロールシステム８０は第１及び第２の制御ループ１１０及び１１２を含む。両方の制御ループは、ゲージ１１６又は流れと関連した他のセンサから燃料流６６の圧力Ｐを示す信号を受け取る共通のセンサ出力ライン１１４を共有してもよい（しかし、必須ではない）。付与される制御構成は、概略的に示され、様々な形態で実装されうることは容易に理解されうる。例えば、別々のライン及び／又はセンサが、用いられうる。上述の通り、コントロールシステム８０は、燃料電池スタック２４の圧力、燃料流６６の圧力、放出流５４の圧力又はエネルギー生成及び消費アセンブリの他の変数を検出するように構成されうる。

本明細書中の開示によるいくつかの実施例で、センサ出力ライン１１４は、第１及び第２の基準デバイス１１８及び１２０に連結されていてもよい。各基準デバイスは、エラー信号を生成するように構成されている任意の適切な回路も又は論理演算装置であってもよい。基準デバイスは、任意的であってもよい。基準デバイスの例には、加算器、減算器、コンパレータ、差動アンプ、などを含めることができる。含まれる場合には、基準デバイス１１８及び１２０は、それぞれの基準信号ライン１２２及び１２４の基準信号を受信することができる。基準デバイス１１８のために、基準信号は、燃料供給源４６に関連する、一定の、又は、決定された値を、含みうる。この値は、圧力Ｐ_ＦＳとして示されうる。基準デバイス１２０に対して、基準信号は燃料電池スタック２４に関連した設定値であってもよい。そして、その値は、圧力Ｐｒｅとして示されうる。制御システム８０がエネルギー生成及び消費アセンブリの他の構成要素と連通するように構成されるときに、基準デバイス及び設定値は異なる部材と関連してもよく、圧力以外の変数を含みうる。ライン１１４上の検出圧力信号と、設定値圧力Ｐ_ＦＳとの差異は、デバイス１１８で測定されうる。そして、この差異は、エラー信号ライン１２６上のエラー信号としての出力でありうる。同様に、ライン１１４上の検出された圧力信号と、圧力Ｐ_ＦＣに対する設定値との差異は、デバイス１２０で測定されうるし、エラー信号ライン１２８上のエラー信号としての出力でありうる。

エネルギー生成及び消費アセンブリのいくつかの実施例において、エラー信号は、機能ユニット１０７に関連した第１信号プロセッサ１３０に、そして、機能ユニット１０８に関連した第２信号プロセッサ１３２に、それぞれ印加されうる。これらの信号プロセッサは、それぞれの制御信号ライン１３４及び１３６によって、関連する機能ユニットに結合されていてもよい。各信号プロセッサは、関連する機能部材の機能を制御することに適切な対応制御信号ライン上の制御信号を駆動するための、少なくとも制御変数の一部を表す、入力信号を用いる任意の適切なデバイスも含みうる。基準デバイス１１８、１２０、信号プロセッサ１３０、１３２、さまざまな信号ライン、及び、コントロールシステム８０の一部として記述される他の部材は、コントロールシステムの一つの構成を表す。他の構成は、本願明細書において記載されている制御を実施するために用いられうる。そして、これらの構成のいくつかは、より多くの又はより少しの、センサ、プロセッサ、及び、他の部材を含みうる。

信号プロセッサ１３０及び１３２は、関連する機能ユニットの作動上のエラー信号の所期の効果を表すエラー信号を修正するように構成されうる。例えば、信号プロセッサは、比例ユニット、集積ユニット及び微分ユニットを、１又は２以上含みうる。比例ユニットは、任意の適切な値（例えば正又は負のゼロでない値、１未満、１に等しい又は１を超える値）でもありうる特定のファクターによって、エラー信号の値を増減しうる。集積ユニットは、エラー信号を時間に亘って蓄積してもよく、エラー信号がゼロ又は何らかの基準をこえて存在すると、制御信号の基準が大きくなる。微分ユニットは、一方では、エラー信号の変化率を表す制御信号を発生しうる。換言すれば、例えば、エラー信号で急速な増加があるときに、その後、制御信号はこれにしたがって増加しうる。これらのそして他のエラー信号の特徴は、共に、関連する機能ユニットを制御するために適した制御信号を生成するための基準と、対応する機能ユニットの伝達関数に少なくとも一部任意的に基づいた、組合せであってもよい。任意的には、他の種類の制御方法（例えばルールベース制御技術）が、用いられうる。

入力信号は、信号プロセッサが制御信号を生じるために使用するのに適切な任意の信号も含みうる。したがって、信号プロセッサは、所望の制御信号を生じる任意の回路又は論理演算装置又はデバイスを含みうる。いくつかの実施例において、信号プロセッサ１３０は、入力としてエラー信号を受信して、供給流６８の１又は２以上の入力供給原料から燃料プロセッサ６４によって燃料生成のストイキオメトリを制御するために適切である制御信号を発生しうる。同様に、例えば酸化剤導入速度を変化させることによって、信号プロセッサ１３２は、燃料電池スタック２４の作動を制御するために適切である制御信号を生じうる。別の例として、燃料流６６及び酸化剤流からの燃料電池スタック２４によって、信号プロセッサ１３２は、電流及びこれによる電力の生成を制御するために適切である制御信号を生じるように構成されうる。電流生成のアクティブ制御は、例えば、制御信号を負荷調整装置（例えばＤＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＡＣインバータ、可変抵抗部材（例えばレジスタンスベイ）又はエネルギー格納／消費アセンブリ５２に含まれる他の部材又は装置）に適用することによって達成されうる。

例えば、燃料流６６が閾値Ｐ_ＦＳよりも上の圧力を有しているときに、コントローラは、適切な制御信号を送信して、燃料（上述しているように、しばしば水素ガスである）の発生を適切に減少させ、及び／又は、燃料電池スタック（例えば、スタックに印加される負荷を増加させることによって）の電流の生成の適切に増加させるように導きうる。そして、燃料流量の減少又は生成電流の増加は、燃料電池スタック２４によって生じる背圧力を減らすことによって、閾値圧力Ｐ_ＦＳの下への燃料流の圧力の減少をもたらしうる。この燃料流圧力の減少は、エラー信号ライン１２６上のエラー信号の減少をもたらしうる。本明細書で示される閾値は、制御などの特定の作動又は度合いに対して、任意の所定の、又は、（例えば、特定の実施例の燃料電池システム２２に対して選択されうる）予め選択された値でもあってもよい。

本明細書中の開示による全てのエネルギー生成及び消費アセンブリにおいて任意的であり必須ではないが、図４にて図示したように、圧力安全弁１５６は燃料流６６に使用されてもよい。圧力安全弁１５６は、燃料流の圧力を最大圧力Ｐ_ＲＶに制限するように構成されうる。最大圧力Ｐ_ＲＶは、エネルギー生成及び消費アセンブリの１又は２以上の構成要素に損傷が発生するおそれのある圧力を表しうる。代換的に、又は、追加的に、最大圧力Ｐ_ＲＶは、エネルギー生成及び消費アセンブリの任意の１又は２以上の構成要素がいくつかの他の方法でより低効率となるような望ましくない作動をするおそれのある圧力を表しうる。図４を参照すると、圧力安全弁１５６は、ゲージ１１６の前に配置されるように示されている。圧力安全弁１５６がゲージ１１６の後に配置され、又は、ゲージと統合されることは、本明細書中の開示の範囲内である。加えて、燃料流６６の及び／又は燃料電池スタック２４の圧力に追加の又は異なる制御を提供するために、圧力調整器が圧力安全弁１５６に置換又は協働して使用されうることは、本明細書中の開示の範囲内である。コントロールシステム８０は、測定装置及び測定位置及び設定値のコントロールシステムへの入力を含み、圧力安全弁又は圧力調整器の有無、及び／又は、位置を明らかにするように構成されうる。

それに対応して、燃料流６６が設定値Ｐ_ＦＳの下の圧力を有するとき、（再び、適切な制御信号を送ることによって）コントローラは、（例えば、燃料電池スタックに適用される負荷を減少させることによって）燃料電池スタック２４によって生成される電力を減少及び／又は制限して、及び／又は供給燃料の生成を増加させることによって、燃料流６６の圧力を増加させるように構成されうる。この燃料消費の減少又は燃料生成の増加は、燃料流６６上の背圧力の増加を発生しうる。これは、エラー信号ライン１２８上のエラー信号を次々に減らすことができる。従って、選択された変数の値、この実施例においては、燃料プロセッサによって生成された水素（又は他の燃料）流の圧力、燃料電池スタックによって消費した水素の圧力、をモニタすることによって、コントロールシステムは、アセンブリがアクティブ作動状態にある間、エネルギー生成及び消費アセンブリを選択的に制御することができる。上述したように、水素流、放出流又は燃料電池スタックの圧力をモニタすることは、モニタされうる変数の単なる例である。モニタされうる変数の他の非限定的な実施例は、上述されている。

若干異なる用語で示されているが、この変数の値が１又は２以上の選択された閾値を（上又は下に）超えるか、達するか、又は、接近するかしたときに、燃料電池スタック（又はそれに連通する流体の流れ）での圧力をモニタして、エネルギー生成及び消費アセンブリの作動を選択的に調整又はさもなければ制御することによって、コントロールシステムは、かかる処理を行わなければアセンブリがアイドル状態又はシャットダウン状態に移行することさえ要求されうる場合にも、エネルギー生成及び消費アセンブリをアクティブ作動状態に維持する。

加えて、エネルギー生成及び消費アセンブリのこのようなモニタリング及び制御は、エネルギー生成及び消費アセンブリの１又は２以上の部材を能動的に制御することによって作動状態の範囲に亘る予め定められた範囲の利用率を前記アセンブリが維持しうるように構成されうる。例えば、いくつかの実施例において、コントロールシステム８０は、燃料電池スタック２４に適用される負荷を変化させることによって、エネルギー格納／消費アセンブリ５２を能動的に制御するように構成されうる。上記のように、燃料電池スタックに適用される負荷を能動的に制御することは、燃料電池スタックの燃料の消費を制御して、予め定められた範囲の利用率を維持するように制御されうる。本明細書中で開示しているエネルギー生成及び消費アセンブリのいくつかの実施例において、コントロールシステム８０は、追加的に、又は、代換的に、供給燃料６６の生成を制御するために燃料供給源４６を能動的に制御するように構成されうる。エネルギー格納／消費アセンブリ５２及び燃料供給源４６の両方のアクティブ制御は、作動状態における小さい変動に対するより迅速な応答時間に対して、そして、作動状態におけるより幅広い範囲に亘る制御の増大に対して、所定の利用率により良好に維持し、又はさもなければ、エネルギー生成及び消費アセンブリの１又は２以上の態様を制御することを可能とする。

従って、エネルギー生成及び消費アセンブリ５６は、燃料流の圧力、電流の生成量といった変数、又は他のこのような変数に影響を及ぼす１又は２以上のアセンブリ機能の制御を提供しうる。加えて、コントロールシステム８０は、各々共通の変数に影響を及ぼす２つのアセンブリ機能を制御するように構成されうる。そして、このような例としては、燃料流に関するものがある。正に記載されている単一変数制御に関連して、コントロールシステム８０も、少なくとも一部異なる変数に基いて１又は２以上の他の機能の作動を調整するように構成されうる。このようなエネルギー生成及び消費アセンブリの実施例は、図５において例示される。便宜のために、図４に示される要素に対応する要素は、同じ参照数字を有する。

図５のエネルギー生成及び消費アセンブリ５６は、例えば少なくとも一つの供給流６８から、燃料電池スタック２４に対する燃料を供給する燃料流６６を生じるように構成されている燃料プロセッサ６４を含みうる。コントロールシステム８０は、燃料流（又は燃料電池スタック、放出流又は他の部材）の圧力Ｐがゲージ１１６で測定されて、基準デバイス１１８へ通信される、制御ループ１１０を含みうる。ライン１２２で受信した圧力信号と設定値Ｐ_ＦＳとの差異は、ライン１２６でのエラー信号として出力されうる。エラー信号は、ライン１３４に適用される燃料プロセッサ６４への制御信号を生じるために、信号プロセッサ１３０によって処理されうる。任意的に、そして、図４に関連して説明したのと同様に、燃料電池スタックに輸送される水素流に対する最大圧力を規定又は設定するような、燃料電池スタック内の圧力をさらに調整及び／又は制御するように構成されている圧力安全弁又は調節装置で、圧力安全弁及び／又は圧力調整器は、圧力計１１６と燃料電池スタック２４との間で使用されうる。

コントローラ８０は、基準装置１２０及びエラー信号プロセッサ１３２を有する制御ループ１１２をも含みうる。ライン１２８上のエラー信号は、ライン１２４上で受信する燃料流圧力Ｐと燃料電池の設定値Ｐ_ＦＣとの差異に基づくものでありうる。しかしながら、ライン１３６上で生成された制御信号を燃料電池スタック（又はエネルギー格納／消費アセンブリ又は他の部材）に直接適用するよりもむしろ、圧力制御信号は論理演算装置１６０に適用されうる。論理演算装置１６０は、この実施例において、２つの入力の最小値を選択して、燃料電池スタックに適用されうる制御ライン１６２に最小値を出力するために適切な任意の回路又は装置でありうる。別の例として、論理演算装置は、２つの入力の最大値を選択して、燃料電池スタックに適用されうる制御ライン１６２に最大値を出力するように構成されうる。

制御ループ１１０及び１１２に加えて、コントロールシステム８０は、第３の制御ループ１６４といった追加的な制御ループを含みうる。制御ループ１６４は、第２の変数に基づいて、エネルギー生成及び消費アセンブリ５６の制御を提供しうる。例えば、制御ループ１６４は、低電圧力状態の間に燃料電池スタックに発生しうる損傷に対する保護を促進しうる、設定値又は閾値より上に出力電圧力を維持するように燃料電池スタック２４の制御を設けるように構成されうる。したがって、制御ループ１６４は、電圧力計又は他の電圧力測定センサ１６６を含みうる。電圧力センサ出力信号は、第３の基準装置１７０のマイナス（負の）又は反転入力へのといった、制御装置に適用されうる電圧力信号ライン１６８に適用されうる。このような実施例では、コントロールシステム（及び／又はコントローラ）は、選択された閾値内に水素（又は他の燃料流）の圧力を維持して、選択された閾値より上に燃料電池スタックから出力電圧力を維持するために燃料電池システムの作動を制御するものとして説明されうる。

そして、この実例の継続として、電圧力設定値Ｖ_ＦＣは、基準信号ライン１７２上の基準デバイス１７０に適用されうる。結果として生じるエラー信号は、エラー信号ライン１７６上の信号プロセッサ１７４に発信されうる。信号プロセッサ１３０及び１３２に対して記述されているように、信号プロセッサは、要求される所望の制御応答に対して適切になるように、信号を処理して、制御信号ライン１７８上の電圧力制御信号を生じうる。制御信号ラインは、論理演算装置１６０に電圧力調整信号を送信しうる。上記したように、より低い電圧力及び圧力の入力値が選択されてもよく、燃料電池スタックの制御作動のための燃料電池スタック制御ライン１６２に出力されてもよい。任意的には、類似の技術は、例えば１又は２以上の部材の温度、燃料電池スタックに印加される負荷、１又は２以上の供給原料流の送り速度、など、といった、他のシステムパラメータを制御するために用いられうる。

図６は、エネルギー生成及び消費アセンブリの選択変数が、システムに適用された負荷における変化とともに、又は変化に基づいて、時間とともにどれほど変化しうるかを示している、典型的な、理想化されたグラフを表す。これらのグラフは、実際のアセンブリが異なって作動しうるように、例示目的のみで示される。下部のグラフ１４０は、燃料電池スタック負荷１４２と、燃料電池スタック出力電流１４４との、時間の関数としての実施例を示す。中部のグラフ１４６は、時間の関数としての燃料プロセッサ６４による出力としての、水素燃料流量１４８の実施例を表す。上部のグラフ１５０は、燃料プロセッサ及び燃料電池スタックの作動から発生しうる水素燃料流６６（燃料電池スタック又は放出流）の圧力１５２の実施例を例示する。

３つのグラフは、時間Ｔ１から時間Ｔ９に進む、時間内の９つの地点を同定する共通の時間軸１５４を有する。最初、燃料プロセッサ及び燃料電池スタックは、アイドルモード、又は、作動状態にあると考えられる。この場合、容易に適用される負荷に応答しうるが、（任意の、又は、基準の量よりも多くの）水素（又は他の燃料）又は電流を現状では生じていない。「基準」によって、アイドル作動状態における燃料電池システムを維持するために必要とされる、水素ガス（又は他の燃料）又は電力の（あるとしても）量を意味している。これらの要件は、システムの要求のバランスオブプラントと称される。例示のために、燃料プロセッサによって燃料がほとんど生じず、燃料電池スタックによって電流がほとんど生じず、そして、燃料プロセッサ及び燃料電池スタック間の燃料流の任意の燃料の圧力がほぼゼロである、と仮定される。図６に示されるグラフは、燃料電池スタックに適用される負荷における変化を含む、さまざまな要因が、どのようにエネルギー生成及び消費アセンブリの選択変数に影響を及しうるかについて説明することを目的とする。時間Ｔ１からＴ９で表される実施例は、例示目的のみであり、例示されたシーケンスで発生することは要求されない。

図６において時間Ｔ１で概略的に例示されるように、例えば電気及び／又は熱負荷といった適用される負荷Ｌ１は、燃料電池システムに適用されうる。負荷に応答して、コントロールシステム８０は、アクティブモード又は運転状態に燃料電池システムを導くことができ、そして、燃料プロセッサ６４は、水素燃料の生成を開始しうる（又はアイドル状態で生成される公称基準から生成量を増やす）。これは、ゼロから流量Ｆ１に向かう燃料流量の基準の増加によって表される。燃料流６６の流量が増加し始めるにつれて、燃料電池スタックの作動のための最小圧力を表しうる、圧力Ｐ_ＦＣに向けてゼロから増大するような、流量の圧力はこれにしたがって、増加する。燃料電池スタックを安全に機能させるための圧力が不十分である限り、燃料電池システムは、電力を発生しないように構成されうる。この期間の間、適用される負荷は、（燃料電池システムに存在するときに）エネルギー貯蔵装置７８によって満たされうる。

少なくとも、選択された、又は閾値の燃料流圧力Ｐ_ＦＣを生成するために十分な燃料流量があるときには、図６において時間Ｔ２の略図を例示したように、燃料電池スタックが電流の生成を開始しうる。時間Ｔ２及びＴ３との間に、燃料流量１４８は、増加を継続しうる。燃料流量の増加と共に、燃料電池スタックは、電流量の増加を発生しうるし、その一方で、燃料流圧力を最小の水準Ｐ_ＦＣに保ち続ける。いくつかの実施例において、燃料電池スタックは、１分又はこれを超えるような、より長くなりうる燃料プロセッサの応答時間と比較して、負荷変動に反応する際に、例えば１秒未満といった比較的急速な応答時間を有しうる。しかし、反応は、燃料流圧力がＰ_ＦＣの設定値より上に維持されるという要求によって制限されうる。これによって、この期間の間、比較的恒常的な圧力を発生することができる。

図６において時間Ｔ３で概略的に例示されるように、燃料電池スタック出力１４４は、Ｆ１よりも少ない燃料流量で、適用される負荷１４２を負荷基準Ｌ１に到達させうる。燃料プロセッサは追加的に燃料を依然として生成し続けて、そして、燃料電池スタックが比較的一定の率で燃料を消費しうるため、燃料流圧力は上昇を継続しうる。しかしながら、燃料圧力が燃料プロセッサ設定値Ｐ_ＦＳに到達するときに、信号プロセッサ１３０に対するエラー信号は負になって、そして、コントローラは、燃料流の生成率を、例えば流量Ｆ１に制限することによって、応答しうる。この流量で、燃料電池スタックによる消費は生成量に等しくなり、これによって、燃料圧力がＰ_ＦＳとほぼ同等又はその下に留まる。必ずではないが、圧力の値は、燃料プロセッサの比較的遅い応答時間に起因して、圧力Ｐ_ＦＳを名目上超えうる。一旦圧力が圧力Ｐ_ＦＳの下で減少されると、システムは時間Ｔ４及びＴ５の間でこの定常状態作動条件に一般に留まりうる。

図６において時間Ｔ５で概略的に例示されるように、適用される負荷は、例えば負荷Ｌ１から負荷Ｌ２に、減少しうる。適用される負荷のこの種の減少は、外部回路からの要求における変更によって、又は、コントロールシステム８０によって供給される指示によって発生しうる。コントロールシステム８０は、エネルギー貯蔵装置が完全に充電されるとき、又は、利用率が高すぎるとき、といった、多くの理由のための燃料電池スタックに適用される負荷を減少させうる。負荷が減少するとき、燃料電池スタックは、対応する電流生成の減少に応答して、燃料消費を減少する。これは、燃料プロセッサが水素ガス（又は生成するように構成される他の燃料）を生成し続けるときの新たな最大値への圧力増大に示されるように、燃料流の圧力の突発的な増大をもたらしうる。この圧力は、閾値圧力Ｐ_ＲＶに達するまで増大を継続しうる。圧力Ｐ_ＲＶは、図４に示されるように、燃料流６６に連結されている安全弁１５６（又は圧力調整器）に対する開放圧力を表す。安全弁は、過剰な圧力を軽減し、一点鎖線で示されるようなピーク値Ｐ_ＰＫによって表されるような、より高い値に圧力が増大するときに発生するおそれのある損傷を防止する。

図６を継続して参照すると、時間Ｔ５及びＴ６の間に概略的に示されるように、適用される負荷は一定のままでありうるが、コントローラは、燃料流圧力が圧力Ｐ_ＦＳに戻るか、又は下回るまで、より少ない燃料を連続的に生成することを燃料プロセッサに指示するように構成されうる。時間Ｔ６で示されるように、圧力はＰ_ＦＳに到達すると、コントローラは燃料プロセッサに一定の燃料生成率を維持するように指示しうる。この生成率は、時間Ｔ３及び時間Ｔ４との間で負荷Ｌ１を維持するために必要な率より低くなりうる。適用される負荷が変化しない場合、燃料流圧力は、安定させるかさもなければ一定にならなければならない。図６において概略的に例示しているように、この新しい定常状態は時間Ｔ７まで継続しうる。

図６において時間Ｔ７で概略的に例示されるように、負荷１４２は、基準Ｌ３といった、新たな、より高い基準まで増加することができる。燃料プロセッサに比して燃料電池スタックの迅速な応答のため、燃料電池スタックの出力は、燃料流の圧力が燃料電池設定値Ｐ_ＦＣに落ちるまで増加しうるし、燃料プロセッサ６４はより多くの燃料を生成し始める。燃料流量が上昇し始めるにつれて、燃料電池スタックは、燃料流圧力を約圧力Ｐ_ＦＣに保ちつつ、発生電流を増加させうる。また、初期の始動期間の間に生じているのと同様に、燃料電池の生成量が適用される負荷Ｌ３に適合する地点に時間Ｔ８で到達しうる。燃料生成量のさらなる増大とともに、燃料流圧力は、上の限界圧力Ｐ_ＦＳに達するまで上昇しうる。これは、時間Ｔ９で発生しうる。

いったん圧力Ｐ_ＦＳに到達すると、燃料プロセッサ出力は、燃料圧力Ｐ_ＦＳ又はそれ未満に維持するように安定化しうる。そして、この定常条件は、負荷の更なる変化が発生するまで、継続しうる。

図６に関する先の議論から分かるように、供給流４６及び燃料電池スタック２４の作動は、燃料電池スタックでの圧力にいずれも影響しうる。加えて、図６は、燃料電池スタック２４に適用される負荷が燃料電池スタックの作動、燃料の消費、燃料電池スタックの圧力に影響しうることを示す。これらの関係は、図７−１０を参照して更に述べられる。

図７は、不使用燃料Ｆ２の、単位分あたりのリッター（Ｌ／ｍｉｎ）において、コントロールシステム８０で検出された燃料電池の圧力の関数として、出口オリフィス９０での放出又は燃料電池スタック２４での蓄積の、流量のグラフである。この圧力は、ｋＰａでの出口圧力Ｐ２であってもよく、ここで、ｋは、数の接頭辞キロであり、Ｐａは、圧力の単位（Ｐａｓｃａｌ）である。このグラフに「ｘ」で示された点及び実線で結ばれた区域は、実験値を表す。点線は、この実施例における、方程式Ｆ＝Ｋ√Ｐを表し、ここで、Ｋ＝２．５３（Ｌ／ｍｉｎ）／（ｓｑｒｔ（ｋＰａ））である。この近似公式が、検出圧力に基づいて流量を決定するために非常に役立っていることが分かる。したがって、この公式を用いて、例えば、コントロールシステム８０は、燃料電池スタック２４の圧力を検出して、検出圧力に基づいて不使用燃料の流量Ｆ２を決定するように構成されうる。上記のように、出口圧力Ｐ２は、検出されうる圧力の１つの実施例である。検出圧力は、入力圧力、又は、不使用燃料の蓄積又は流量と関連した燃料電池の他の圧力であってもよい。本明細書中で使用しているように、「基づいて」は、更なる要因を除外せず、又は要求もしないことを意味する。したがって、「基づいて」は、「少なくとも一部に基づいて」１又は２以上の示された要因を含むが、更なる要因を必要としないとして解釈するべきである。例えば、出口圧力に基づいて上述の公式を用いて流量を決定するコントロールシステムは、必須ではないが、この決定に他の要因を利用してもよい。同じことは、本願明細書において記載されて及び／又は主張される他の「基づいて」いる関係にもあてはまる。同様に、「応答して」は、応答を誘発しうる更なる要因も除外せず、また要求もしない。

少なくともいくつかの燃料電池スタックで、燃料電池スタックによって消費される燃料の流量Ｆ３は、本明細書ではＩｆｃと表される、燃料電池スタックの電流出力に正比例すると決定される。そして、この場合、流量は、方程式Ｆ３＝ｂ・Ｉｆｃで決定される。「ｂ」の値が個々の燃料電池スタックの作動特性に依存するにもかかわらず、いくつかの燃料電池スタックで、ｂの値は１未満であってもよく、そして、特に、０．５８９の値はいくつかの燃料電池スタックに対して相当に正確であると定められている。

燃料電池スタック２４のいくつかの実施例において、作動パラメータの範囲は、確立されうる。以下の作動パラメータは、本明細書中の開示に従って創造されて操作されるいくつかの典型的な燃料電池スタックにあてはまる。他の作動パラメータが利用されうること、又はさもなければ追加されうることは、開示の範囲内である。実例として、特定のスタックに対する最大及び最小の電流の範囲は、下記に示される値を超えてもよく、又はそれ未満でもよい。

上記のように、燃料電池スタックへの燃料の流量Ｆ１は、燃料電池スタックによって消費される流量Ｆ３、燃料電池スタック蓄積される量、又は、出口オリフィスからの流量Ｆ２を加算することによって決定されうる。上記の方程式を使用して、不使用燃料流量Ｆ２は、検出圧力Ｐ２から決定されうるし、そして、消費流量Ｆ３は燃料電池電流Ｉｆｃから決定されうる。方程式の形態は、Ｆ１＝ｂ・Ｉｆｃ＋Ｋ√（Ｐ２）、である。この関数は、軸、供給燃料流量、燃料電池流及び出口圧力として有している空間の表面位置を定める。

燃料電池スタックによる燃料の利用率（Ｕ）は、電流の生成に使用される供給燃料流量Ｆｌの比率として、又は、下記の式として定義されうる。

この方程式から、所与の燃料電池の電流生成のための制御利用基準を達成するために、出口圧力に亘ってアクティブ制御が実施されうることが分かる。あるいは、所与の出口圧力に対する制御利用率は、燃料電池の電流Ｉｆｃを能動的に制御することによって達成されうる。いくつかのエネルギー生成及び消費アセンブリにおいて、過度な利用率による燃料電池スタックの汚染を防止して、利用率不足による燃料の無駄を防止するために制御することが好ましい。

図８は、上述した作動パラメータの範囲によって抑制される燃料電池スタックに対して８３％に例示した利用率基準に対するスタック電流の関数である出口圧力のグラフである。他の利用率の基準は、異なる曲線を形成して、他の燃料電池スタックは、異なる作動特性を有する。８３−１００％の範囲、８０−８５％の範囲、７０−８３％の範囲、５０−７０％の範囲、７０−９０％の範囲、７０％未満の範囲、５０％未満の範囲、７０％を超える範囲、８０％を超える範囲、９０％を超える範囲、ほぼ８３％、などといった、他の利用率の基準は、本明細書中の開示の範囲内である。

図９は、図８に対応する運転条件に対するスタック電流の関数としての不使用燃料流量の選択された設定値のグラフであり、８３％の例示の利用率基準を示している。この実施例において、不使用燃料流量が、図示する燃料電池スタックの正常作動範囲（すなわち略３０アンペア及び６８アンペア）を通じてスタック電流とともに線形に増加するということがわかる。不使用燃料における不使用燃料流量設定値は、約３．６ｌｐｍ（１分当たりのリッター）及び８．０ｌｐｍの制限値の間に拘束される。そして、これらの制限値は、２ｋＰａの最小出口圧力及び１０ｋＰａの最大出口圧力に対応する。

図１０は、同じ例示の作動条件に対するスタック電流の関数としての水素利用率のグラフである。この利用率は、燃料電池スタックの正常作業範囲にわたって８３％に維持される。この例では、利用率は、３０アンペア未満のスタック電流に対して下落（すなわち減少）して、略６８アンペアより上では比較的線形に上昇している。

これらの例示の図は、不使用燃料流量Ｆ２は、８３％の一定の利用率に対してスタック電流に比例することを示している。図９の出口流Ｆ２の曲線上に出口流Ｆ２を保持するようにスタック電流（消費）を調整することによって、スタック水素利用率は、スタック運転範囲の大部分に亘って８３％に維持される。７８アンペアのスタック電流量で、利用率は、ちょうど８５％となっている。

１つの図示したシナリオにおいて、（上記の方程式及び検出圧力から算出されるように）不使用燃料流量は約６ＬＰＭであってもよく、そして、スタック電流は時間内の特定の瞬間において約４０アンペアであってもよい。この状態は、地点Ａで視覚的に示される。上述したように、目標の又は選択される利用率は、実線によって表れる。地点Ａを実線へ移動するために、スタック電流は増加され、又は、出口フローは減少されうる。したがって、スタックに適用される負荷は、利用率を目標率に制御するために増加しうる。逆のシナリオの実施例は、図９において地点Ｂで視覚的に示される。この地点で、不使用燃料流量は、約５ＬＰＭであってもよく、そして、スタック電流は５０アンペアであってもよい。エネルギー生成及び消費アセンブリを目標利用率に復帰させるために、エネルギー格納／消費アセンブリは、利用率を減少させている燃料電池スタック上の負荷を減少させるために能動的に制御されうる。燃料プロセッサの変化に対する供給燃料の応答時間と比較すると、適用される負荷の変化に対する燃料電池スタックの応答時間は比較的速いため、適用される負荷を変えることは、作動状態において小さいか一時的な変化に対して好ましい。しかしながら、適用される負荷のアクティブ制御は、長い期間の間、又は、作動状態の大きい変化に対して維持することが困難でありうる。したがって、いくつかの実施例で、能動的に適用される負荷及び燃料供給源を制御することが好まれうる。

コントロールシステム８０による燃料電池スタック２４及び／又は燃料供給源４６の制御は、少なくとも一部において、これらのさまざまな値及び関係を使用して、達成されうる。そして、図８のグラフにおいて同定される出口圧力が、燃料電池スタックに対する燃料の供給のための目標圧力として使用されうる。この圧力は、目標出口圧力又は目標検出圧力と称されうる。例示される関係は、放出される不使用燃料と同様に、燃料電池スタックで消費される燃料流量を組み込んでいる。これらの関係は、放出口又は出口の圧力及びスタック電流から導かれる。他のパラメータ関係もまた、派生しうる。

述べられたように、さまざまな制御パラメータが、燃料電池システム２２の各種要素を制御する異なる方法で使用されうる。例えば、出口燃料流量、及び、これに対応した出口圧力は、燃料供給源４６によって供給される燃料量の示唆を与える。燃料供給源の作動及び特に燃料プロセッサのストイキオメトリは、この情報に基づいてもよい。更に、空気供給及び燃料電池は、燃料の所望の利用率をもたらす供給圧力を提供するために制御されうる。供給燃料の生成及び燃料電池出口圧力は、所望の供給圧力を提供するように調整されうる。また、出口オリフィスは、出口流量及び／又は出口圧力を変化させるように調整されうる。したがって、所与のスタック電流のための供給燃料に対する目標圧力を保つことによって、燃料利用率は、所望の基準に維持されうる。

所望の利用率は、エネルギー格納／消費アセンブリ５６、及び、燃料電池スタックに適用される負荷、を能動的に制御することによっても、予め定められた範囲に制御されうる。同様に、所望の利用率は、燃料電池スタックによって生成される電流を能動的に制御することによっても維持されうる。いくつかの実施形態では、エネルギー格納／消費アセンブリ５６のアクティブ制御は、より大きな制御を提供するために、燃料供給源のアクティブ制御と組み合わせられうる。燃料供給源のアクティブ制御が作動状態のより広範囲に亘る利用率の制御を可能にすると共に、エネルギー格納／消費アセンブリ５６のアクティブ制御は、制御のより速い応答時間及びより高い精度を提供しうる。燃料供給源のアクティブ制御は、外部的に適用される負荷における長期にわたる変化のために、又は、エネルギー生成及び消費アセンブリの状態の長期にわたる変化のために優先されうる。上記の運転状態及びサブルーチンは、コントロールシステムが燃料電池システム２２及び／又はエネルギー生成及び消費アセンブリ５６の作動を自動化しうる方法の実施例を提供するために示された。作動特性、パラメータ値及び燃料電池システム設計及び構成の多くの変形が本明細書中の開示の範囲内において可能であるため、上記の実施例は限定的に解釈されてはならない。

本願明細書において記載されている燃料電池システム及びコントロールシステムは、電力が燃料電池スタックによって生成される任意の状況においても適用できる。燃料電池スタックが、燃料電池スタックに供給原料を提供する燃料処理用アセンブリを含む燃料電池システムの一部を形成するときに、特に好適である。

燃料電池システム２２の自動化は、燃料電池システムの作動の訓練をされていない個人によってこのシステムが使用される、家庭内、車両、及び、他の商業的用途での使用を可能にする。そして、例えばマイクロ波中継装置ステーション、無人の送信機又はモニタ装置、などといった、技術者又は他の個人さえ通常いない環境での使用を可能にする。コントロールシステム８０は、個人がシステムの作動を常にモニタすることが非実用的である商業的装置において燃料電池システムを実行することを可能にする。例えば、車両及びボートにおける燃料電池システムの実施態様においては、ユーザが連続的にモニタする必要はなく、そして、ユーザが燃料電池システムの作動を調整する必要はない。その代わりに、ユーザは、燃料電池システムの作動を調整するために、コントロールシステムに頼ることが可能である。ユーザは、システムが自動応答のコントロールシステムの範囲外の作動パラメータ及び／又は状況に遭遇する場合に、通知を必要とするのみである。

上記例は、燃料電池システム任意の特定の用途でも用いられるように必然的に構成される他の応用を除外又は要求せずに、この種の自動化された燃料電池システムの考えられる用途を例示している。さらに、前述の段落において、コントロールシステム８０は、燃料電池システムのさまざまな部分を制御することが説明されている。このシステムは、上記のコントロールシステムのあらゆる態様を含まずに実施しうる。同様に、システム２２は、本願明細書において述べられていない作動パラメータをモニタして、制御するように構成されてもよく、先の実施例において提供されるもの以外の指令信号を送ることもできる。

上で記載される開示は、独立した有用性を有する複数の異なった方法及び／又は装置を含むと考えられる。これらの方法と装置の各々がその好ましい形態において開示されているが、多数の変形例が可能であるため、本願明細書において記述され図示された具体例は、限定的なものと考えるべきではない。本願明細書における開示の対象物は、本願明細書において開示されるさまざまな要素、特徴、機能及び／又は特性の全ての新規で非自明な組合せ及びサブコンビネーションを含む。同様に、請求項が「１の」又は「第１の」要素又はその均等物を示すとき、このような請求項においては、１又は２以上のこの種の要素の組み入れてもよく、２又は３以上のこの種の要素を要求又は除外するものではないものと理解されるべきである。

請求項は、開示された実施例に対応して、新しくて自明でない特定の組合せ及びサブコンビネーションを指し示すと考えられる。特徴、機能、要素及び／又は特性における他の組合せ及びサブコンビネーションは、本出願又は関連出願において現在の請求項を補正又は新たな請求項の提示によって請求項に含まれうる。このような補正され又は新たな請求項は、異なる組合せか同じ組合せのいずれを対象にしても、元の請求項の範囲と異なっているか否か、より広いか否か、より狭いか否か、等しいか否かによらず、本明細書中の開示の対象の範囲内で含まれると考えられる。

図１は、燃料電池、及び、関連する、燃料供給源、酸素供給源及びエネルギー格納／消費アセンブリの概概略的にある。 図２は、燃料電池スタック、燃料供給源、コントロールシステム及びエネルギー格納／消費アセンブリを含むエネルギー生成及び消費アセンブリの概概略的にある。 図３は、燃料電池スタック、燃料供給源、コントロールシステム及びエネルギー格納／消費アセンブリを含むエネルギー生成及び消費アセンブリの他の実施例の概概略的にある。 図４は、燃料電池スタック、燃料供給源及びコントロールシステムを含むエネルギー生成及び消費アセンブリの他の実施例の概概略的にある。 図５は、図４のようなエネルギー生成及び消費アセンブリの他の実施例の概概略的にある。 図６は、典型的なエネルギー生成及び消費アセンブリに対して、水素圧力、改質装置出力、燃料電池スタック負荷、及び、燃料電池出力電流の典型的なグラフである。 図７は、検出圧力の関数としての燃料電池出口オリフィスを通る不使用燃料流量の実施例のグラフである。 図８は、燃料電池スタック電流の関数として、燃料電池スタックで検出した不使用燃料圧力のターゲットにおける実施例のグラフである。 図９は、燃料利用率が予定されている利用率に維持されて、図７に示された検出圧力の範囲内に検出圧力が維持される時の、スタック電流の関数としての不使用燃料流量のグラフである。 図１０は、図７において表される検出圧力の範囲内に燃料電池スタックでの検出圧力が維持されるときに、スタック電流の関数としての燃料電池スタックの燃料利用率のグラフである。

符号の説明

２０ 燃料電池
２２ 燃料電池システム
２４ スタック
３０ アノード領域
３２ カソード領域
３６ アノード
３８ カソード
３４ 電極
４２ 燃料（水素）
４４ 酸素
４８ 供給源
５２ 負荷適用アセンブリ
５５ カソードエア放出流
６４ 燃料プロセッサ
６６ 生成水素流
６８ 供給流
８０ コントロールシステム
８２ コントローラ

Claims (35)

1. 供給圧力で供給燃料を供給するように構成された燃料供給源と、
   少なくとも一つの燃料電池を含む燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに負荷を適用するために制御されるように構成されている負荷適用アセンブリと、
   前記燃料電池スタックで圧力を検出して、前記負荷適用アセンブリを能動的に制御することによって前記検出圧力に基づいて電流生成を制御するように構成されているコントロールシステムと、を備え、
   前記燃料電池スタックは、供給燃料を受け入れて、適用される負荷に応答して前記受け入れた供給燃料から供給アンペア数で電流を生じるように構成されている、エネルギー生成及び消費アセンブリ。
2. 前記コントロールシステムは、
   前記供給アンペア数を検出して、前記検出圧力に基づいて目標供給アンペア数を決定して、前記検出された供給アンペア数及び前記目標供給アンペア数に基づいて前記負荷適用アセンブリを制御する、ようにさらに構成されている、請求項１に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリ。
3. 前記燃料電池スタックは、前記目標供給アンペア数を発生しているときに、前記検出圧力の予め定められた一部の供給燃料を消費するように構成されている、請求項２に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリ。
4. 前記燃料電池スタックによって消費される予め定められた一部の供給燃料が、約７０％及び約９０％の範囲である、請求項３に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリ。
5. 前記燃料電池スタックによって消費される予め定められた一部の供給燃料が、約８３％である、請求項４に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリ。
6. 前記燃料供給源は、前記コントロールシステムに制御されるように構成され、
   前記コントロールシステムは、前記供給アンペア数を検出して、目標供給アンペア数を決定して、前記目標供給アンペア数に基づいて供給圧力で供給燃料を供給するために燃料供給源を制御するように、さらに構成されている、請求項１に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリ。
7. 前記コントロールシステムは、前記目標供給アンペア数及び前記検出圧力に基づいて供給燃料の目標流量を決定するように、さらに構成されている、請求項６に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリ。
8. 前記燃料供給源は、前記供給燃料を１又は２以上の供給原料から生成するように構成されており、
   前記コントロールシステムは、前記供給燃料の決定された目標流量に基づいて、前記燃料供給源の作動を制御するように、さらに構成されている、請求項７に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリ。
9. 前記コントロールシステムは、方程式Ｆ＝Ｋ√Ｐを用いて不使用燃料流量を決定するように構成され、Ｆは前記不使用燃料の流量、Ｋは定数、そして、Ｐは前記圧力である、請求項１に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリ。
10. 前記供給圧力を能動的に制御するように構成されている、圧力調整器をさらに備え、
    前記コントロールシステムは、前記供給圧力を予め定められた閾値圧力より下に維持するために前記圧力調整器を制御するように構成されている、請求項６に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリ。
11. 前記燃料供給源は、前記供給燃料を少なくとも一つの供給原料から生成するように構成されている燃料プロセッサを含む、請求項１に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリ。
12. 前記コントロールシステムは、第１の閾値より下に前記供給圧力を維持するために前記燃料プロセッサによって供給燃料の生成を制御するように構成され、
    第２の閾値より上に供給圧力を維持するために、前記燃料電池スタックによる電流の生成を制御するように構成されている、請求項１１に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリ。
13. 前記燃料電池スタックは、出口圧力で出口オリフィスから実質的に連続的に不使用燃料を消費するように構成されており、
    前記コントロールシステムによって検出される圧力は前記出口圧力を含む、請求項１に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリ。
14. 供給圧力で供給燃料を供給するように構成された燃料供給源と、
    少なくとも一つの燃料電池を含む燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックに負荷を適用するために制御されるように構成されている負荷適用装置と、
    前記燃料電池スタックで圧力を検出して、前記検出された圧力に対して前記供給燃料の予め定められた一部を前記燃料電池スタックが消費する目標供給アンペア数を決定して、前記目標供給アンペア数に基づいて前記燃料電池スタックの作動を制御して、前記負荷適用装置を能動的に制御することによって前記供給アンペア数を制御するように構成されているコントロールシステムと、を備え、
    前記燃料電池スタックは、前記供給圧力で前記燃料供給源から供給燃料を受け入れて、適用される負荷に応答して供給アンペア数で電流を生じるために前記受け入れた供給燃料の少なくとも一部を用いるように構成されている、エネルギー生成及び消費アセンブリ。
15. 前記燃料電池スタックによって消費される予め定められた一部の供給燃料は、約７０％及び約９０％の範囲である、請求項１４に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリ。
16. 前記コントロールシステムは、前記目標供給アンペア数及び前記検出圧力に基づいて供給燃料の目標流量を決定するようにさらに構成され、
    前記燃料供給源は、前記供給燃料を１又は２以上の供給原料から生成するために制御されるように構成され、
    前記コントロールシステムは、前記供給燃料の目標流量に基づいて前記燃料供給源によって前記供給原料の使用を制御するように構成されている、請求項１４に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリ。
17. 前記燃料供給源は、前記供給燃料を生成するように構成されている燃料プロセッサを備え、
    前記コントロールシステムは、第１の閾値より下に前記供給圧力を維持するために前記燃料プロセッサによって供給燃料の生成を制御するように構成され、
    第２の閾値より上に前記供給圧力を維持するために前記燃料電池スタックによって電流の生成を制御するように構成されている、請求項１６に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリ。
18. 前記燃料電池スタックは、断続的に不使用燃料を放出するように構成されている、請求項１４に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリ。
19. 前記燃料電池スタックは、出口圧力で出口オリフィスから実質的に連続的に不使用燃料を消費するように構成され、
    前記コントロールシステムによって検出される圧力は、前記出口圧力を含む、請求項１４に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリ。
20. 供給圧力で供給燃料を供給すること、
    少なくとも１つの燃料電池を含んで供給アンペア数で電流を生成するように構成されている燃料電池スタックに酸化剤及び供給燃料を用いること、
    前記燃料電池スタックから電流を引き出すために負荷を前記燃料電池スタックに適用すること、
    前記燃料電池スタックで圧力を検出すること、
    前記燃料電池に適用される前記負荷を能動的に制御することによって前記検出圧力に基づいて前記供給アンペア数を制御すること、を含む、エネルギー生成及び消費アセンブリの作動方法。
21. 前記検出圧力に基づいて不使用燃料流量を決定することをさらに含み、
    前記不使用燃料流量を決定することには、方程式Ｆ＝Ｋ√Ｐを解析することを含み、Ｆは前記不使用燃料の流量、Ｋは定数、そして、Ｐは前記検出圧力である、請求項２０に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリの作動方法。
22. 前記供給アンペア数を検出すること、
    前記検出圧力に対して前記燃料電池スタックが予め定められた一部の供給燃料を消費する目標供給アンペア数を決定すること、
    をさらに含み、
    前記供給アンペア数を制御することは、前記目標供給アンペア数を決定することに少なくとも一部基づいている、請求項２０に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリの作動方法。
23. 前記目標供給アンペア数及び前記検出圧力に基づいて前記供給燃料の目標流量を決定すること、及び、前記供給燃料の目標流量に基づく前記供給燃料の生成を制御すること、をさらに含む、請求項２２に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリの作動方法。
24. 前記供給燃料を生成することは、前記供給燃料を１又は２以上の供給原料から生成すること、を含み、
    前記供給燃料の目標流量に基づいて前記供給原料の使用を制御することをさらに含む、請求項２３に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリの作動方法。
25. 前記目標供給アンペア数で消費される予め定められた一部の供給燃料は、約７０％及び約９０％の範囲である、請求項２２に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリの作動方法。
26. 前記目標供給アンペア数で消費される予め定められた一部の供給燃料は、約８３％である、請求項２５に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリの作動方法。
27. 前記燃料電池スタックに負荷を適用することは、
    前記燃料電池スタックからの電流を負荷適用アセンブリに電導することを含む、請求項２０に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリの作動方法。
28. 出口圧力で出口オリフィスを介して燃料電池スタックから実質的に連続的に不使用燃料を放出することをさらに含み、
    前記燃料電池スタックで圧力を検出することは、前記出口圧力を検出することを含む。請求項２０に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリの作動方法。
29. 供給燃料を生成することは、前記供給燃料を１又は２以上の供給原料から生成することを含み、
    第１の閾値より下に前記供給圧力を維持するように構成されるように前記供給燃料の生成を制御することをさらに含み、
    前記第１の閾値未満である第２の閾値より上に前記供給圧力を維持するように構成されるように前記燃料電池スタックによって電流の生成を制御することをさらに含む、請求項２０に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリの作動方法。
30. 供給圧力で供給燃料を供給すること、
    少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池スタックに酸化剤及び燃料を用いること、
    供給アンペア数で前記燃料電池スタックに電流を生成すること、
    前記燃料電池スタックで圧力を検出すること、
    前記検出された圧力に対して前記供給燃料の予め定められた一部を前記燃料電池スタックが消費する目標供給アンペア数を決定すること、
    前記目標供給アンペア数に基づいて前記燃料電池スタックの作動を制御すること、を含む、エネルギー生成及び消費アセンブリの作動方法。
31. 前記燃料電池スタックに負荷を適用することをさらに含み、
    前記燃料電池スタックの作動を制御することは、前記燃料電池スタックに適用される負荷を能動的に制御することを含む、請求項３０に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリの作動方法。
32. 前記供給燃料を供給することは、供給圧力で前記供給燃料を生成するように１又は２以上の供給原料を燃料プロセッサ装置に適用することを含み、
    前記目標供給アンペア数の少なくとも一部に基づいて前記燃料プロセッサ装置の作動を制御することをさらに含む、請求項３１に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリの作動方法。
33. 前記燃料電池スタックから不使用燃料を断続的に放出することを更に含む、請求項３０に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリの作動方法。
34. 出口圧力で出口オリフィスを介して前記燃料電池スタックから前記不使用燃料を実質的に連続的に放出することをさらに含み、
    前記燃料電池スタックで圧力を検出することは、前記出口圧力を検出することを含む、請求項３０に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリの作動方法。
35. 供給圧力で供給燃料を供給することは、
    １又は２以上の供給原料から燃料を生成することを含み、
    第１の閾値より下に前記供給圧力を維持するために構成されるように供給燃料の生成を制御することをさらに含み、
    第１の閾値未満である第２の閾値より上に、前記供給圧力を維持するために構成されるように燃料電池スタックによって電流の生成を制御すること、をさらに含む、請求項３０に記載のエネルギー生成及び消費アセンブリの作動方法。

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