JP2008517445A - 燃料電池システムの方法および装置 - Google Patents

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Abstract

燃料電池システムは、燃料電池スタックのロードターンダウン比を低減するために、電気的に並列に結合された、少なくとも２つの燃料電池スタックを使用する。全てではない燃料電池スタックが、電力需要が許容するところで、動作され得る。酸化体供給サブシステムは、燃料電池スタックからの動作（電力生成）を停止するために、燃料電池スタックの一方に対する酸化体の供給を中断し得る。該燃料電池スタックは、交代で非動作中の燃料電池スタックとなり得る。

Description

（発明の背景）
（技術分野）
本開示は、電力の生成に適した燃料電池システムに、広く関連している。
（関連技術の詳細）
電気化学的な燃料電池は、燃料および酸化体を電気に変換する。固体高分子電気化学的な燃料電池は、カーボンファイバー紙（ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｐａｐｅｒ）またはカーボンクロス（ｃａｒｂｏｎ ｃｌｏｔｈ）のような、多孔質層の導電性シート材料を典型的に備える２つの電極間に配置された、イオン交換膜または固体高分子電解質を備える、膜電極接合体（ＭＥＡ）を一般的に使用する。ＭＥＡは、所望の電気化学反応を生じさせるための各々の膜電極インターフェイスにおいて、触媒（典型的には微細に砕かれた白金の形態）の層を含む。動作中、電極は、外部回路を介して電極間で導電性電子と電気的に結合される。典型的には、多くのＭＥＡが、所望する電力出力を有する燃料電池スタックを形成するために、電気的に直列に結合される。
典型的な燃料電池において、ＭＥＡは２つの導電性の流体流れ場プレート（ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｐｌａｔｅ）またはセパレータプレート（ｓｅｐａｒａｔｏｒ ｐｌａｔｅ）間に配置される。流体流れ場プレートは、燃料および酸化体を、電極、すなわち各々陽極および陰極に方向付けるためのフロー経路を有する。流体流れ場プレートは、集電装置として働き、電極のための支持を提供し、燃料および酸化体のためのアクセスチャンネル（ａｃｃｅｓｓ ｃｈａｎｎｅｌ）を提供し、そして、燃料電池の動作の間に形成される水のような反応生産物の除去のためのチャンネルを提供する。燃料電池システムは、反応の維持において、反応生産物を使用し得る。例えば、反応水はイオン交換膜に水分を補給すること、および／または燃料電池スタックの温度を維持することに使用され得る。
燃料電池スタックは、典型的に最大電力条件に合わせて設計される。既存の燃料電池システムにおいて、フローはアイドル電力条件において、水管理のために十分な圧力降下を提供するように増加される。アイドル電力条件において、この圧力降下を発生させるために要求されるフローは大きく（所望される化学量論比（ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ）に関して、化学量論比は、燃料電池における電力発生において消費される燃料または酸化体に対する、供給される燃料または酸化体の比である）、燃料電池システムの効果をはっきりと低減させる。これらのフローおよび圧力降下を低減させるための試みがなされているが、これらの試みは、アイドル条件下の燃料電池スタックのロバスト性（ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ）および信頼性を減少させる。最大電力条件およびアイドル電力条件の両方の下において頑丈で、信頼性のある、効果的な燃料電池システムが高く望まれる。
（発明の概要）
一局面において、電力システムは、第１の燃料電池のセットが動作している際に、第１の電圧を提供するように電気的に結合された、第１の燃料電池のセットと；第２の燃料電池のセットが動作している際に、第２の電圧を提供するように電気的に結合された、少なくとも第２の燃料電池のセットと；陽極と陰極とを備え、第１のダイオードの陽極が、第１の燃料電池のセットが動作している際に、第１の燃料電池のセットにより生成された電流を通すように、第１の燃料電池のセットと電気的に結合された第１のダイオードと；陽極と陰極とを備え、第２のダイオードの陽極が、第２の燃料電池のセットが動作している際に、第２の燃料電池のセットにより生成された電流を通すように、第２の燃料電池のセットと電気的に結合され、第１のダイオードの陰極が第２のダイオードの陰極と結合される、第２のダイオードと、を備える。いくつかの実施形態において、電力システムは、第３または第４の燃料電池のセット、あるいは、燃料電池の付加的な偶数のセットを備え得る。
他の局面において、燃料電池システムを動作する方法は、電力需要がクロスオーバーしきい値（ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）以上である第１期の間に、第１および第２の燃料電池のセットの少なくとも１つに対する燃料フローを提供することと、第１および第２の燃料電池のセットの少なくとも１つに対する酸化体フローを提供することと、を含み、そして、電力需要がクロスオーバーしきい値以下である第２期の間に、第１および第２の燃料電池のセットの少なくとも１つに対する燃料フローを提供することと、第１の燃料電池のセットに対する酸化体フローを提供することと、第２の燃料電池のセットに対する酸化体フローを終結することと、を含む。
さらなる局面において、燃料電池システムを動作する方法は、電力需要がクロスオーバーしきい値以上である際に、電力を生成するために燃料電池のセットの各々を動作することと、電力需要がクロスオーバーしきい値以下であるたびに、燃料電池のセットの交互に起こる１つの動作を終結することと、を含む。燃料電池のセットを動作することは、燃料電池のセットの各々を含む燃料電池に対する燃料フローおよび酸化体フローを提供することを含み得る。燃料電池のセットの動作を終結することは、燃料電池のセットの各々を含む燃料電池に対する酸化体フローを中断しつつ、燃料フローを提供することを含み得る。
（詳細な記載）
以下の記載において、ある特定の詳細が、種々の実施形態の完全な理解を提供する目的で記述される。しかしながら、当業者は、本明細書の教示が、これら特定の詳細の１つ以上を用いずに、または他の方法、部品、材料等を用いることで、実行され得ることを認識する。他の実例において、種々の作動および制御部品を含む、燃料電池システムと関連のある周知の構造（一般にバランスオブプラント（ＢＯＰ）という）は、本実施形態の記載を不必要に不明瞭にすることを避けるために、詳細には明示または記載されていない。
文脈上他の意味に解す場合を除き、本明細書および添付の特許請求の範囲を通じて、単語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」およびその変形（例えば、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」および「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」）は、開いた包括的な意味で、すなわち「含むが、制限するものではない」として解釈されるべきである。
本明細書を通じて「一実施形態」または「ある実施形態」への参照は、本実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造または特性が、本燃料電池システムの少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。従って、本明細書の種々の箇所における、「一実施形態において」または「ある実施形態において」というフレーズの出現は、必ずしも全てが同じ実施形態について言及しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造または特性は、１つ以上の実施形態における任意の適切な様式において結合され得る。
本明細書で提供される見出しは、単に便宜上のためのものであり、請求される本発明の範囲または意味と解釈してはならない。
上記のように、従来の燃料電池システムの設計は、最大電力条件のために設計された燃料電池スタックを使用した。アイドル電力条件において、流量は、水管理に十分な圧力降下を提供するために、増加させられた。この圧力降下を生み出すために必要な流量は大きく、燃料電池システムの効率性を著しく低減する。これらの流量および圧力降下を低減する試みは、アイドル条件下で燃料電池スタックのロバスト性および信頼性を減少させる。
出願人は、大きなターンダウン比（ｔｕｒｎ ｄｏｗｎ ｒａｔｉｏ）（すなわち、最大ロード／アイドルロード）が、システムの制限（圧力降下、流量等）を破ることなしに、最大限の電力を供給可能で、アイドル電力において効率的におよび頑丈に実行可能な、燃料電池スタックの設計を困難にしていることを認識している。電気的に、および供給サブシステムに対して、並列に構成された作動スタックは、燃料電池スタックが作動するために必要なターンダウン比を有利に低減する。
図１は、正電位を＋Ｖで、負電位または接地電位を−Ｖで表示した一次電圧源を提供するために、第１のダイオードＤ１および第２のダイオードＤ２を経由して電気的に並列に結合された第１の燃料電池スタック１２ａおよび第２の燃料電池スタック１２ｂを含む燃料電池システム１０を示す。燃料電池スタック１２ａ、１２ｂは、例えば、カナダのブリティッシュコロンビア州ＢｕｒｎａｂｙのＢａｌｌａｄ Ｐｏｗｅｒから入手可能な、Ｎｅｘａ（登録商標）電力モジュールの形態をとり得る。
燃料電池システム１０は制御システム１４を含み、制御システム１４は第１のスタック電流センサ１６ａ、第２のスタック電流センサ１６ｂおよび総スタック電流センサ１６ｃを含み得る。第１のスタック電流センサ１６ａは、第１の燃料電池スタック１２ａにより発生させられた電流を感知するために結合され、一方で第２のスタック電流センサ１６ｂは、第２の燃料電池スタック１２ｂにより発生させられた電流を感知するために結合される。総スタック電流センサ１６ｃは、第１および第２の燃料電池スタック１２ａ、１２ｂにより発生させられた総電流を感知するために結合される。
制御システム１４は、総スタック電流センサ１６ｃにより感知された総電流としきい値とを比較するために結合された、コンパレータ１８（例えば差動増幅器）をさらに含む。しきい値は、電圧源２０（例えば＋５Ｖ）とグラウンド２２との間に結合された可変抵抗ＲＶを経由して設定され得る。コンパレータ１８は、以下でより詳細に議論されるように、リレーおよび／またはソレノイドに制御信号２４を提供可能である。
図２は、図１の燃料電池システム１０の種々の供給サブシステムを示している。燃料電池システム１０は、適切なコンジットおよび／またはマニホールドを経由して（燃料供給サブシステム３０の要素と燃料電池スタック１２ａ、１２ｂとの間に伸びている矢印によって表示される）第１および第２の燃料電池スタック１２ａ、１２ｂへの燃料の供給を調整するために、燃料源３２、インレットバルブ３４、およびレギュレータ３６を含む燃料供給サブシステム３０を含む。広範囲の反応体が、固体高分子電解質燃料電池において使用され得る。例えば、燃料のストリームは、実質的に純粋な水素ガス、ガス性水素含有リフォーメートストリーム、またはダイレクトメタノール燃料電池におけるエタノールであり得る。
ここで使用される燃料は加圧水素で、燃料供給サブシステム３０は、燃料再循環サブシステム３８を有利に活用し得る。燃料供給サブシステム３０の燃料再循環サブシステム３８は、１つ以上の、ポンプ、圧縮機、および／または送風機のような燃料送出デバイス４０ａ、４０ｂを含み得る。燃料再循環サブシステム３８はまた、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂから来る再循環燃料と燃料源３２からの燃料とを混合するための、１つ以上の混合機４２をも含み得る。燃料供給サブシステム３０は、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの陽極をパージングするための、１つ以上のパージバルブ４４ａ、４４ｂを含み得る。
燃料電池システム１０は、酸化体（例えば酸素または空気）を燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに供給するための酸化体供給サブシステム４６を、さらに含み得る。酸化体供給サブシステム４６は、供給源４８（例えば周囲の環境）から空気を供給し得る。酸化体供給サブシステム４６は、空気をフィルターするためのフィルター５０、空気フローの大きさを決定するための質量流量計５２、および／または、適切なコンジットおよび／またはマニホールド（酸化体供給サブシステム４６の要素と燃料電池スタック１２ａ、１２ｂとの間に伸びている矢印によって表示される）を経由して、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに適した圧力に空気を移送するための酸化体送出デバイス５４を含み得る。酸化体送出デバイス５４は、圧縮機、ファン、または図２に概略的に示したルーツ送風機（Ｒｏｏｔｓ ｂｌｏｗｅｒ）のような送風機といった形態をとり得る。空気供給サブシステム４６は、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂのそれぞれ１つに対する空気フローを制御するように動作可能な、１つ以上の空気供給バルブ５６を含み得る。
燃料電池システム１０は、スタック温度調整サブシステムをさらに含み得る。スタック温度調整サブシステムは、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂまたは燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに近接する周囲の環境の温度を調整するために、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに熱媒を提供し得る。熱媒は、例えば液体および／またはガスのような流体の、種々の形態をとり得る。図示したように、スタック温度調整サブシステムは第１の熱媒送出デバイス６０ａおよび第２の熱媒送出デバイス６０ｂを含み、各熱媒送出デバイス６０ａ、６０ｂは、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂにわたって熱媒流を供給するように動作可能である。いくつかの実施形態において、熱媒送出デバイス６０ａ、６０ｂは燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに対し空気流を吹き付けるように動作可能なファンまたは送風機の形態をとり得る。あるいは、またはさらに、熱媒送出デバイス６０ａ、６０ｂは、熱媒を燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに方向付けるために、および／または熱媒を燃料電池スタック１２ａ、１２ｂから離れるように方向付けるために、ポンプおよび／または圧縮機の形態をとり得る。熱媒はしばしば燃料電池スタック１２ａ、１２ｂからの熱を移送するために使用されるが、いくつかの実例において、熱媒は燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに熱を移送するために使用され得る（例えば燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの始動の間）ことに注意する。
図１および図２に示されるように、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂは、電気的に、およびフローサブシステムに対して、並列に構成される。１つ以上の、空気供給バルブ５６、パージバルブ４４ａ、４４ｂ、および熱媒送出デバイス６０ａ、６０ｂは、制御信号２４（破線で示している）に対して応答的であり得る。
図３を参照して、一実施形態において、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの陽極からパージされたガスは、大気に直接パージされ得る。他の実施形態において、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの陽極からパージされたガスは、少なくとも１つのもう一方の燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの陰極へ向けられ得る。さらなる実施形態において、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの陽極からパージされたガスは、大気またはもう一方の燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの陰極のいずれかに向けられ得る。これは三方パージバルブ７４ａ、７４ｂを使用することにより達成され得る。当業者は、同様の結果を達成し得る、他のバルブ設定が存在することを認識する。水分離器（示していない）のような付加的なデバイスが、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの陰極へ導入される前に、パージガスから水分を除去するために使用され得る。
他の実施形態において、燃料供給サブシステム３０が燃料電池スタック１２ａ、１２ｂのそれぞれ１つに対する燃料フローを制御するように動作可能な、１つ以上の燃料供給バルブ７２ａ、７２ｂを含み得る。１つ以上の、空気供給バルブ５６、燃料供給バルブ７２ａ、７２ｂ、パージバルブ７４ａ、７４ｂ、および熱媒送出デバイス６０ａ、６０ｂが制御信号２４（破線で示した）に対して応答的であり得る。
図４は、２つの２４セルＮｅｘａ（登録商標）電力モジュール燃料電池スタックを使用する、図１および図２の燃料電池システム１０のトポロジーの分極曲線６２を示す。
動作中、燃料電池システム１０は、アイドル状態およびノンアイドル状態という２つの状態で動作し得る。アイドル状態は、燃料電池システム１０上に課された電力需要が、例えば、燃料電池システム１０の最大電力の２分の１またはそれ以下のクロスオーバーしきい値（ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）を下回った際にトリガされる。ノンアイドル状態は、燃料電池システム上に課された電力需要が、例えば、燃料電池システム１０の最大電力の２分の１またはそれ以上のクロスオーバーしきい値を上回った際にトリガされる。
アイドル状態において、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの一方（例えば、第１の燃料電池スタック１２ａ）が、所望の電力を供給する一方、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂのもう一方（例えば第２の燃料電池スタック１２ｂ）は、電力を供給せず、非動作中として考えられ得る。
非動作中の燃料電池スタック１２ａ、１２ｂ（例えば第２の燃料電池スタック１２ｂ）にわたる電圧は、ダイオードＤ１、Ｄ２の使用を介して、動作中の燃料電池スタック１２ａ、１２ｂ（例えば第１の燃料電池スタック１２ａ）にわたる電圧と同じくらいであるように制限される。
他の実施形態において、ダイオードＤ１、Ｄ２は、同様の機能を果たす他のデバイスに交換され得る。例えば、ダイオードＤ１、Ｄ２は、ダイオードＤ１、Ｄ２に対して同様の機能を果たすために制御されるスイッチに交換され得る。前記スイッチは、非動作中のスタックにわたる電圧が、動作中の燃料電池スタックにわたる電圧と同じくらいであるように制限されることを確実にするために制御され得る。同時に、前記スイッチは、電力（または電流）が動作中のスタックから非動作中のスタックへ流れ込まないことを確実にするために制御され得る。
他の実施形態において、スイッチは、非動作中のスタックにわたる電圧が燃料電池スタックの開回路電圧（ＯＣＶ）を超えないように制御され得る。この場合の開回路電圧は、酸化体および燃料が前記燃料電池スタックに存在する際に、燃料電池スタックによって発生させられた最大電圧として定義され、電気ロードは燃料電池スタックに付加されない。例えば、燃料として水素を酸化体として空気を用いる陽子交換膜（ＰＥＭ）タイプの燃料電池において、ＯＣＶは典型的に約０．９Ｖ〜１．２Ｖの範囲内である。前記スイッチは好ましくは、ソリッドステートリレー（ＳＳＲ）、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、および／または他の半導体スイッチ、のようなソリッドステートスイッチであり得る。当業者は、任意の、適切なスイッチデバイス、または同様の動作機能性を有する同様に制御可能なデバイスが本目的のために使用され得ることを認識する。
アイドル状態において、燃料は、パージバルブ４４ａ、４４ｂ（またはパージバルブ７４ａ、７４ｂ）を経由する周期的なパージによって、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの両方を介して再循環され得る。しかしながら、空気は、酸素の存在を制限することによる腐食の可能性を低減する目的で、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの動作中の１つに対してのみ供給される。
他の実施形態において、動作中のスタックの陽極からパージされたガスは、非動作中のスタックの陰極に向けられ得る。非動作中のスタックの陽極に対して燃料を供給しつつ、非動作中のスタックの陰極に対してガスを供給しないと、隔膜を横断する燃料の移送による燃料損失が発生し得る。非動作中のスタックの陰極を動作中のスタックからパージされた燃料で満たすことにより、この損失を有利に低減し得る。
他の実施形態において、非動作中のスタックへの燃料供給は、空気が非動作中のスタックに対して供給されなくなった後に一時中断され得る。これは燃料損失をさらに有利に低減し得る。
アイドル状態において、熱媒は燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの非作動中の１つに、環境に対する熱損失の割合と、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂおよび燃料電池システム１０の非動作中の燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに沿う熱損失および温度変化に対する感度とに依存して、供給され得または供給され得ない。
電力に対する需要が増加し、クロスオーバーしきい値にほぼ等しくなった際、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの以前は非動作中だった１つが、例えば、空気供給バルブ５６を介して燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに空気を供給することによって、活性化される。以前は動作中だった燃料電池スタック１２ａ、１２ｂは、総システム出力の半分の供給に減少され、非動作中の燃料電池スタック１２ａ、１２ｂは、総システム出力の残りの半分を供給する。従って、クロスオーバーしきい値以上では、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの両方が、需要される電力の約半分をそれぞれが供給するように動作される。
１つの動作方法において、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの１つ（例えば第１の燃料電池スタック１２）を、電力の需要が、クロスオーバーしきい値に関わらず存在する間、連続的に動作させたままにする。この方法において、燃料電池システムは、もう一方の燃料電池スタック１２ａ、１２ｂ（例えば第２の燃料電池スタック１２ｂ）の１つを、電力需要とクロスオーバーしきい値との比較を基に、動作中と非動作中の間でトグルする。このアプローチは、開始／停止処理の効果を燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの１つに集中させる。
他の動作方法において、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの１つが連続的に実行されることと、需要とクロスオーバーしきい値との比較を基にトグルされることとを、交互に行う。このアプローチは、オン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）サイクル、および／または種々の燃料電池スタック１２ａ、１２ｂ間の低いロード条件、に関連する磨耗を、有利に割り当て得る。
例として、３１２Ａの最大電流引き込み、および２Ａのアイドル電流引き込みが要求される燃料電池システムにおいて、従来法で設計および動作される燃料電池スタックは、３１２Ａおよび２Ａ、つまりロードのターンダウン比１５６において、動作するように設計される必要がある。しかしながら、上記したアプローチを用いる燃料電池システム１０は、１５６Ａおよび２Ａ、つまりロードのターンダウン比を半減させて、動作するように設計された燃料電池スタック１２ａ、１２ｂを有利に使用する。
ターンダウン比を低減させることに加え、上記のアプローチは、いくつかの他に起こり得る利益を提供し得る。クロスオーバーしきい値以下の低ロードにおいて、動作中の燃料電池スタック１２ａ、１２ｂ上の電流密度を効率的に倍加することにより、高い電池電圧における浪費される時間が低減される。これは、隔膜の劣化を有利に低減し得る。これはまた、高電位に基づく陰極腐食の可能性も有利に低減し得る。開始、停止およびハイバネーション（ｈｉｂｅｒｎａｔｉｏｎ）条件が良性であると仮定することで、全システムの寿命は、２つ以上の燃料電池スタック１２ａ、１２ｂ間の低ロードにおいて、動作時間を分割することにより増加され得る（ハイバネーションは、システム電力需要がクロスオーバー需要以下の際に、非動作中のスタックが入力する、無電力生成状態である。オフ状態と同一ではあり得ない）。
システム図から、燃料電池の半分に対する空気の遮断は、燃料電池の陰極側におけるフローのユニットあたりの圧力降下を倍加する。アイドル状態において、酸化体送出デバイス５４が、臨界最小圧力降下を維持するために十分な空気フローを供給する必要があると仮定すると、これを達成するための流量は、同じ高い電力潮流／圧力降下特性を有する、非スイッチ式（ｎｏｎ−ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）燃料電池システムの約半分である。これは、酸化体送出デバイス５４上の寄生ロード（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｌｏａｄ）を、クロスオーバー点（ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ ｐｏｉｎｔ）以下の５０％まで低減可能である。さらに、非動作中の燃料電池スタックに対する熱媒フローも遮断される場合、同様に熱媒送出デバイス６０ａ、６０ｂの寄生ロードにおいて、対応する低減があるが、この低減は５０％と同等ではあり得ない。
最後に、電気的に並列に結合した、複数の燃料電池スタック１２ａ、１２ｂは冗長性を増加させる。万一、１つの燃料電池スタック１２ａ、１２ｂが機能しなくても、残りの燃料電池スタックは、いまだに最大電力の５０％の供給をすることが可能である。幾つかの実施形態において、燃料電池システム１０は、燃料電池スタックの半分以下が機能しない場合に、最大電力の５０％以上を提供し得る。この冗長性は、燃料電池システム１０が「リンプホーム（ｌｉｍｐ−ｈｏｍｅ）」モードをインプリメントすることを可能にし、「リンプホーム」モードは、燃料電池システム１０が、低減した能力において、燃料電池システム１０が働き得るまで、機能し続けることを可能にする。これは、例えば、電気またはハイブリッド車両が、故障レーン、修理店、および／または運転者の自宅のような、安全な場所まで移動することを可能にし得る。さらに、またはあるいは、これは、例えば携帯可能なアプリケーションあるいは据え付けのアプリケーションのいずれかにおいて、データのバックアップおよび通常のシャットダウンルーチンの実行を可能にし得る。
燃料電池システム１０は、複雑性およびコストを減らすが、燃料効率も減らし得る、燃料再循環サブシステム３８なしで設計され得る。各燃料電池スタック１２ａ、１２ｂは、さらに複雑性を減らす、それぞれのパージバルブ４４ａ、４４ｂを必ずしも必要としない。熱媒送出デバイス６０ａ、６０ｂが、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂが電力生成を中断した後で、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに熱媒を提供し続け得る間、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの非動作中の１つに対する熱媒フローを中断することは、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの非動作中の１つの流れ場に沿う温度勾配を有利に維持し得る。
２つの燃料電池スタック１２ａ、１２ｂ間の熱媒（例えば空気フロー）に対する、単なるバイナリ（例えばオン／オフ）制御以上に維持することは、有利であり得る。燃料電池スタック１２ａ、１２ｂ間の熱媒フローの体積および／または速度に対するいくつかの制御を有することは、より良いロードおよびフローの釣り合いを可能にする。さらに、長い非動作期間は、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの一方を他方よりも冷たいままにし、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂのうちの非動作中の１つの流れ場の長さに沿う温度勾配（ｄＴ）を持たないままにさせる。これは、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂのうちの非動作中の１つが再起動された際に、フロー共有の不公平さを引き起こす圧力降下に、悪影響を与える。これらのフロー共有の不公平さはまた、始動する燃料電池スタック１２ａ、１２ｂと、動作している燃料電池スタック１２ａ、１２ｂとの間にも存在する。
高ターンダウン、長寿命および高信頼性という必要条件を有する未来の自動車システムは、上記のアプローチを活用する。さらに、上記のアプローチの冗長性局面も、据え付けのシステムに適用可能にし得る。個別の燃料電池スタックをオンにするための能力が、低周波始動を有するシステムに基づく、燃料電池における演習ルーチン（ｅｘｅｒｃｉｓｉｎｇ ｒｏｕｔｉｎｅ）の一部として使用され得る。例えば、このような演習ルーチンは、電気通信中継局のための電源バックアップのような、無停電電源装置（ＵＰＳ）アプリケーションにおいてインプリメントされる。上記のアプローチは、使用しない際に、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂ間に、接触器やリレーではなく、ダイオードＤ１、Ｄ２を使用することにより、非動作中の燃料電池スタック１２ａ、１２ｂにわたる電圧が開放電圧条件（ＯＶＣ）まで上昇させないようにすることにより、陰極腐食および隔膜劣化を、有利に防ぎ得る。
連続的な燃料再循環も、燃料の欠乏による陰極腐食を、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの再起動の間の劣化を最小限にして、有利に防ぎ得る。ダイオードＤ１、Ｄ２は、燃料電池スタック１２ａ、１２ｂのうちの非動作中の１つにわたる電圧が、ほぼ即座に、長期間かけて流出し始めることを可能にする。過渡電圧（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｖｏｌｔａｇｅ）陰極腐食が低減または除去され得る。
上で議論したように、一部の利点は、燃料電池の低減されたターンダウンという要求、高い電池電圧における浪費される時間の低減、および隔膜劣化および陰極腐食の必然的な低減を含み得る。また、上で議論したように、一部の利点は、複数のスタック間の低ロードの時間を分割することによる、全燃料電池システムの寿命の増加を、付加的にまたは代替的に、含み得る。一部の利点は、低ロードにおいて低減された陰極送風機寄生損失（ｃａｔｈｏｄｅ ｂｌｏｗｅｒ ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｌｏｓｓ）を、付加的にまたは代替的に、含み得る。一部の利点は、燃料電池システム１０の向上された冗長性、例えばリンプホームモードの提供を、付加的にまたは代替的に、含み得る。
２つのスタックの構成という点について議論したが、燃料電池システム１０は、ターンダウン比の減少と、信頼性および冗長性の増加に、有利に寄与し得る、多数のユニット燃料電池スタック１２ａ、１２ｂを含み得る。
本明細書で使用される用語、燃料電池スタックは、１組のノードまたは端子にわたる電圧を生成する、互いに電気的に結合された、１つ以上の燃料電池をいう。従って、一実施形態において、２つ以上の燃料電池スタックは、異なりスタック構造であり得、各々は、互いに電気的および機械的に結合された燃料電池の物理的に分離した集合体（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）で、各々は、ノード又は端子の組を含む。他の実施形態において、２つ以上の燃料電池スタックは、全ての燃料電池スタックの燃料電池が互いに電気的および機械的に結合された、単一の一体構造（ｉｎｔｅｇｒａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の一部であり得る。このような実施形態において、共通のタップノード（ｔａｐ ｎｏｄｅ）または端子が、燃料電池スタック間で共有され、それにより構造は２つ以上に分割される。共通のタップノードまたは端子は、構造の中心点に、あり得、あるいはあり得ない。
前述の詳細な記載は、ブロック線図、概略図および例示の使用によって、デバイスおよび／または処理の種々の実施形態を述べている。このような、１つ以上の機能および／または動作を含む、ブロック線図、概略図および例示の範囲で、このようなブロック線図、概略図およびフローチャートまたは例示内の各機能および／または動作が、広範囲のハードウェア、ソフトウェアまたはこれらの事実上任意の組み合わせによって、個別的におよび／または集団的に、インプリメントされ得ることが、当業者によって理解される。一実施形態において、本主題は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）によって、インプリメントされ得る。しかしながら、当業者は、本明細書で開示された実施形態が、全体的にまたは部分的に、１つ以上のコンピュータ上で実行されるコンピュータプログラム（例えば、１つ以上のコンピュータシステム上で実行される１つ以上のプログラム）、１つ以上の制御装置上で実行される１つ以上のプログラム（例えば、マイクロコントローラ（ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ））、１つ以上のプロセッサ上で実行される１つ以上のプログラム（例えば、マイクロプロセッサ（ｍｉｃｒｏ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ））、ファームウェア、またはこれらの事実上任意の組み合わせ、のような、標準的な集積回路において、同等にインプリメントされ、回路網を設計すること、および／またはソフトウェアおよび／またはファームウェアのためにコードを書くことは、本開示の観点から、十分に当業者の技術の範囲である。
さらに、当業者は、本明細書で教示される制御機構が、種々の形態においてプログラム製品として分配されることを可能にし、そして、示された実施形態は、分配を実際に実行するために使用される信号ベアリング媒体（ｓｉｇｎａｌ ｂｅａｒｉｎｇ ｍｅｄｉａ）の特定の形式と等しくみなされる。信号ベアリング媒体の例には、以下：フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクドライブ、ＣＤ ＲＯＭ、デジタルテープおよびコンピュータメモリのような追記可能タイプの媒体と；通信回線に基づくＴＤＭまたはＩＰを使用するデジタルおよびアナログ通信回線のような通信タイプの媒体と、を含むが、それに制限されない（例えば、パケットリンク）。
本明細書および請求の範囲で用いられるように、用語「燃料電池のセット」は、それにわたる電圧を生成するために電気的に結合された、任意の数の燃料電池をいう。燃料電池のセットは、ほとんどの場合、燃料電池のスタックに関連しているが、上記セットの燃料電池は、機械的に互いに結合され得、あるいはされ得ず、わずか一つの燃料電池を含み得る。用語「電力需要」は、ロードが電気機械１４および／または中間デバイスを含むかどうかによって、ロードの引き込みの電流、電圧または電力をいう。
上記した種々の実施形態は、さらなる実施形態を提供するために組み合わされ得る。米国特許、米国特許出願公開、米国特許出願、外国特許、外国特許出願および非特許文献は、本明細書および／または出願データシート（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｄａｔａ Ｓｈｅｅｔ）において掲載されたものをいい、以下を含むがそれに制限されない：
米国特許第６，５７３，６８２号（２００３年６月３日交付）；
米国特許公開第２００３／００２２０３８号、第２００３／００２２０３６号、第２００３／００２２０４０号、第２００３／００２２０４１号、第２００３／００２２０４２号、第２００３／００２２０３７号、第２００３／００２２０３１号、第２００３／００２２０５０号および第２００３／００２２０４５号（全て２００３年１月３０日公開）；第２００３／０１１３５９４号および第２００３／０１１３５９９号（ともに２００３年６月１９日公開）；第２００４／０００９３８０号（２００４年１月１５日公開）；および第２００４／０１２６６３５号（２００４年７月１日公開）；
米国特許出願第１０／８１７，０５２号（２００４年４月２日出願）；第１０／４３０，９０３号（２００３年５月６日出願）；第１０／４４０，５１２号（２００３年５月１６日出願）；第１０／８７５，７９７号および第１０／８７５，６２２号（ともに２００４年６月２３日出願）；第１０／６６４，８０８号（２００３年９月１７日出願）；第１０／９６４，０００号（２００４年１０月１２日出願）；および第１０／８６１，３１９号（２００４年６月４日出願）；
および米国仮特許出願第６０／５６９，２１８号（２００４年５月７日出願）；第６０／５６０，７５５号（２００４年６月４日出願）；速達郵便第ＥＶ５２９８２１６１５ＵＳを用いた米国仮特許出願第６０／６２１，０１２号（名称「ＰＯＷＥＲ ＳＹＳＴＥＭ ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ」２００４年１０月２０日出願）；はその全体が、本明細書に参照として援用される。本システムおよび方法の局面は、本発明のさらなる実施形態を提供するために、種々の特許、出願および公開の、システム、回路および概念を用いるために、必要に応じて、改変され得る。
これらおよびその他の変更は、上記の詳細な記載の観点から、本システムおよび方法になされ得る。添付する請求の範囲において、通常、使用される用語は、本明細書および請求の範囲に開示された特定の実施形態に、本発明を制限するように解釈されるべきではないが、請求の範囲に従って読み取られる、全ての電力システムおよび方法を含むように解釈されるべきである。従って、本発明は、本開示によって制限されるものではないが、その代わりに本発明の範囲は、添付する請求の範囲によって完全に決定されるべきである。
図面において、同一の参照番号は、同様の要素または動作と同一視する。図面中の要素の大きさおよび各々の位置は必ずしも、一定の比率で拡大して描かれていない。例えば、種々の要素の形状および角度が、一定の比率で拡大して描かれず、これらの要素のいくつかは、図面の読みやすさを向上するために、任意に拡大され、配置される。さらに、描かれる要素の特定の形状は、特定の要素の実際の形状に関する、いかなる情報をも伝える意図はなく、単に図面中における認識の容易さのために選択されたものである。
図１は、第１および第２の燃料電池スタックを備える燃料電池の回路図であり、示される一実施形態に従う燃料電池システムの電気的構成を示している。 図２は、示される一実施形態に従う燃料電池システムのフロー構成を示す、図１の燃料電池システムの回路図である。 図３は、他の実施形態に従う燃料電池システムのフロー構成を示す、図１の燃料電池システムの回路図である。 図４は、示される一実施形態に従う、図１および図２の燃料電池システムの分極曲線を示すグラフである。

Claims (22)

  1. 電力システムであって、
    第１の燃料電池のセットであって、該第１の燃料電池のセットが動作している際に、第１の電圧を提供するように電気的に結合された、第１の燃料電池のセットと、
    少なくとも第２の燃料電池のセットであって、第２の燃料電池のセットが動作している際に、第２の電圧を提供するように電気的に結合された、少なくとも第２の燃料電池のセットと、
    陽極と陰極とを備える第１のダイオードであって、該第１のダイオードの陽極は、該第１の燃料電池のセットが動作している際に、該第１の燃料電池のセットによって生成された電流を通すように、該第１の燃料電池のセットに電気的に結合されている、第１のダイオードと、
    陽極と陰極とを備える第２のダイオードであって、該第２のダイオードの陽極は、該第２の燃料電池のセットが動作している際に、該第２の燃料電池のセットによって生成された電流を通すように、該第２の燃料電池のセットに電気的に結合されており、該第１のダイオードの陰極は、該第２のダイオードの陰極と電気的に結合される、第２のダイオードと
    を備える、システム。
  2. 請求項１に記載の電力システムであって、
    前記第１の燃料電池のセットおよび前記第２の燃料電池のセットに燃料を供給するように動作可能な燃料供給サブシステムと、
    該第１の燃料電池のセットおよび該第２の燃料電池のセットに酸化体を供給するように動作可能な酸化体供給サブシステムと
    を、さらに備える、システム。
  3. 請求項２に記載の電力システムであって、前記酸化体供給システムは、前記第１の燃料電池のセットまたは前記第２の燃料電池のセットの一方に対する酸化体フローを制御するように動作可能な少なくとも１つの酸化体供給バルブを、備える、システム。
  4. 請求項３に記載の電力システムであって、
    ロード需要がクロスオーバーしきい値以下になったことに応答して、前記第１の燃料電池のセットまたは前記第２の燃料電池のセットの一方に対する前記酸化体フローを終結するための前記酸化体供給バルブを制御するように結合された制御装置を、さらに備える、システム。
  5. 請求項４に記載の電力システムであって、前記燃料供給サブシステムは、前記第１の燃料電池のセットおよび前記第２の燃料電池のセットの一方に対する前記酸化体フローが終結された際に、該第１の燃料電池のセットおよび該第２の燃料電池のセットに対して燃料を供給し続ける、システム。
  6. 請求項４に記載の電力システムであって、前記燃料供給サブシステムは、前記第１の燃料電池のセットまたは前記第２の燃料電池のセットの一方に対する燃料フローを制御するように動作可能な少なくとも１つの燃料供給バルブを備える、システム。
  7. 請求項６に記載の電力システムであって、前記制御装置は、前記第１の燃料電池のセットおよび前記第２の燃料電池のセットの一方に対する前記酸化体フローが終結されたことに応答して、該第１の燃料電池のセットおよび該第２の燃料電池のセットの一方に対する前記燃料フローを終結するための前記燃料供給バルブを制御するようにさらに結合される、システム。
  8. 請求項４に記載の電力システムであって、前記制御装置は、前記第１の燃料電池のセットおよび前記第２の燃料電池のセットから引き込まれた総電流と、前記クロスオーバーしきい値とを時々比較するコンパレータを備える、システム。
  9. 請求項２に記載の電力システムであって、前記燃料供給サブシステムは、前記第１の燃料電池のセットおよび前記第２の燃料電池のセットからの再循環燃料に結合された燃料電池再循環サブシステムを備える、システム。
  10. 請求項９に記載の電力システムであって、前記燃料再循環サブシステムは、前記第１の燃料電池のセットおよび前記第２の燃料電池のセット間で再循環された燃料を混合するように結合された混合器を備える、システム。
  11. 請求項２に記載の電力システムであって、前記燃料供給サブシステムは、少なくとも１つのパージバルブを備え、該パージバルブは、前記第１の燃料電池のセットまたは前記第２の燃料電池のセットの少なくとも１つに結合されており、該第１の燃料電池のセットまたは該第２の燃料電池のセットの陽極をパージするように動作可能である、システム。
  12. 請求項２に記載の電力システムであって、前記燃料供給サブシステムは、少なくとも１つのパージバルブを備え、該パージバルブは、前記第１の燃料電池のセットおよび前記第２の燃料電池のセットの双方に結合されており、該第１の燃料電池のセットまたは該第２の燃料電池のセットの一方の陽極から、該第１の燃料電池のセットまたは該第２の燃料電池のセットの陰極までパージガスを伝達するように動作可能な、システム。
  13. 請求項２に記載の電力システムであって、前記第１の燃料電池のセットは、第１の燃料電池スタックとして、機械的に結合されており、前記第２の燃料電池のセットは、該第１の燃料電池スタックから物理的に分離した第２の燃料電池スタックとして、機械的に結合されている、システム。
  14. 燃料電池システムを動作する方法であって、該燃料電池システムは、第１および第２の燃料電池のセットの少なくとも１つと、互いに電気的に直列に結合されており、それにわたる電圧を生成するように動作可能な、該第１の燃料電池のセットにおける燃料電池と、互いに電気的に直列に結合されており、それにわたる電圧を生成するように動作可能な、該第２の燃料電池のセットにおける燃料電池と、通常それの各陰極に結合されたダイオードの各々の１つを経由して、互いに電気的に並列に結合された該第１の燃料電池のセットおよび該第２の燃料電池のセットの少なくとも１つと、を含んでおり、
    電力需要がクロスオーバーしきい値以上である第１期の間に、
    該第１の燃料電池のセットおよび該第２の燃料電池のセットの少なくとも１つに対する燃料フローを提供することと、
    該第１の燃料電池のセットおよび該第２の燃料電池のセットの少なくとも１つに対する酸化体フローを提供することと、を含み、
    該電力需要が、該クロスオーバーしきい値以下になる第２期の間に、
    該第１の燃料電池のセットおよび該第２の燃料電池のセットの少なくとも１つに対して該燃料フローを提供することと；
    該第１の燃料電池のセットに対して該酸化体フローを提供することと；
    該第２の燃料電池のセットに対して該酸化体フローを終結することと
    を含む、方法。
  15. 請求項１４に記載の方法であって、
    前記電力需要が前記クロスオーバーしきい値以下になる第３期の間に、
    前記第１の燃料電池のセットおよび前記第２の燃料電池のセットの少なくとも１つに対して前記燃料フローを提供することと；
    該第２の燃料電池のセットに対して前記酸化体フローを提供することと；
    該第１の燃料電池のセットに対して該酸化体フローを終結することと
    をさらに含む、方法。
  16. 燃料電池システムを動作するための方法であって、少なくとも２つの燃料電池のセットと、互いに電気的に直列に結合された該燃料電池のセットの各々における燃料電池と、互いに電気的に並列に結合された該燃料電池のセットの各々を含んでおり、該方法は、
    電力需要がクロスオーバーしきい値以上である際に、電力を生成するために、該燃料電池のセットの各々を動作することと、
    電力需要がクロスオーバーしきい値以下になるたびに、該燃料電池のセットの交互に起こる動作を終結することと
    を含む、方法。
  17. 請求項１６に記載の方法であって、前記燃料電池のセットの各々において、該燃料電池のセットを動作することは、該燃料電池のセットの各々を備える該燃料電池に対して、燃料フローおよび酸化体フローを提供することを含む、方法。
  18. 請求項１７に記載の方法であって、前記燃料電池のセットの各々において、該燃料電池のセットの前記動作を終結することは、該燃料電池のセットの各々を備える該燃料電池に対して、前記酸化体フローを中断する間に、前記燃料フローを提供することを含む、方法。
  19. 請求項１８に記載の方法であって、前記燃料電池のセットの各々において、該燃料電池のセットの前記動作を終結することが、該燃料電池のセットの各々を備える該燃料電池に対して、前記酸化体フローを中断した後に、前記燃料フローを中断することをさらに含む、方法。
  20. 請求項１６に記載の方法であって、前記電力需要が前記クロスオーバーしきい値以下になるたびに、前記燃料電池のセットの交互に起こる動作を終結することは、連続して前記燃料電池システムを備える該燃料電池のセットの各々の動作を終結することを含む、方法。
  21. 請求項１６に記載の方法であって、前記電力需要が前記クロスオーバーしきい値以下になるたびに、前記燃料電池のセットの交互に起こる動作を終結することは、連続して前記燃料電池システムのサブセットを備える多くの該燃料電池のセットの各々の動作を終結することを含む、方法。
  22. 請求項１６に記載の方法であって、前記燃料電池システムが、少なくとも２つのスイッチデバイスを備え、少なくとも１つのスイッチデバイスは、前記燃料電池のセットの各々に電気的に結合されたスイッチデバイスであり、
    非動作中の燃料電池のセットにわたる前記電圧は、該非動作中の燃料電池のセットの開回路電圧以下にとどまるように、該非動作中の燃料電池のセットに結合されたスイッチを制御すること
    を含む、方法。
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