JP2010510764A - 燃料電池システム装置 - Google Patents

Abstract

電力システムが開示され、該電力システムは、燃料電池スタック一次電源と、二次電源と、第一の直流バスと、該二次電源の電圧が該燃料電池スタック一次電源の電圧よりも大きい場合、該二次電源からの電力を該第一の直流バスに電気的に結合する第一の電圧制御要素と、該燃料電池スタック一次電源の電圧が該二次電源の電圧よりも大きい場合、該燃料電池スタック一次電源からの電力を該第一の直流バスに電気的に結合する第二の電圧制御要素と、該第一の直流バスに電気的に結合された少なくとも１つのバランスオブプラント負荷とを備えている。

Description

（発明の背景）
（発明の分野）
本開示は、概して、電力を生成することに適した燃料電池システムに関する。

（関連技術の説明）
電気化学燃料電池は、燃料および酸化体を電気に変換する。固体ポリマー電気化学燃料電池は、概して、膜電極アセンブリ（「ＭＥＡ」）を用い、該膜電極アセンブリは、２つの電極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み、それらは、典型的に、多孔質の電気的に伝導性のあるシート材料（例えば、カーボンファイバ紙またはカーボンクロス）の層を備えている。ＭＥＡは、所望の電気化学反応を導入するために、各膜電極インターフェースにおいて、典型的には、細かく粉砕された白金の形態で、触媒の層を含む。動作中、電極は、外部回路を通って、電極間で電子を伝導させるために、電気的に結合される。典型的には、多くの燃料電池は、所望の電力出力を提供する燃料電池スタックを形成するために、直列で電気的に結合される。

典型的な燃料電池において、ＭＥＡは、２つの電気的に伝導性のある流体流動場プレートまたはセパレータプレートの間に配置される。流体流動場プレートは、燃料および酸化体を電極、すなわちアノードおよびカソードそれぞれに方向付けるための流路を有する。流体流動場プレートは、電流コレクタとして作用し、電極に対するサポートを提供し、燃料および酸化体に対するアクセスチャネルを提供し、反応生成物（例えば、燃料電池の動作の間に形成される水）の除去のためのチャネルを提供する。燃料電池システムは、反応を維持する際に反応生成物を用い得る。例えば、反応水は、イオン交換膜を水和するために、そして／または燃料電池スタックの温度を維持するために使用され得る。

ＰＥＭ燃料電池スタックの通常動作の間に、燃料はアノード側で電気化学的に還元され、典型的には、陽子、電子、そして用いられる燃料に依存して可能性としては他の種の生成をもたらす。陽子は、陽子が生成される反応部位から伝導され、膜を通って、カソード側の酸化体中の酸素と電気化学的に反応する。電子は、使用可能な電力を提供する外部回路を通って進み、その後カソード側で陽子と酸素と反応し、電気を生成する。

従来の燃料電池スタックは、通常の動作状態の間に、比較的高い最小スタックおよび／または電池電圧において動作する。例えば、一部の自動車の用途において、燃料電池スタックは、３００アンペアにおいて２４０ボルトの公称出力電圧を提供する。燃料電池スタックの個別の直列結合された燃料電池は、通常の動作状態の間に、燃料電池ごとに公称電圧を出力する。

しかしながら、スタートアップ状態の間に、燃料電池スタックのスタートアップ電圧は、通常動作の間の燃料電池スタックから提供される電圧よりもかなり小さい。従って、十分な電圧および電流が燃料電池スタックから利用可能になる前に、スタートアッププロセスに対して期間が必要とされる。

燃料電池スタックの動作をサポートする一部のバランスオブプラント（ＢＯＰ）デバイスは、スタートアップの間に燃料電池によって提供される減少した電圧における動作のためには設計されていない。ＢＯＰデバイスの例は、通常動作状態の間の公称電圧範囲において電力供給または供給されたとき、燃料電池に公称速度の空気の流れを提供するエアコンプレッサである。別の例は、公称電圧範囲において電力供給されたとき、公称速度で、燃料電池スタックを通る冷却材を循環させる冷却材ポンプである。ＢＯＰデバイスのさらなる例は、公称電圧範囲において電力供給されたとき、公称速度で、燃料電池に対して反応材を再循環させるアノード再循環ポンプである。

上記のＢＯＰデバイスは、燃料電池動作のために用いられ、特に、燃料電池スタックスタートアッププロセスのために用いられる。従って、十分な電圧および電流が、ＢＯＰデバイスによって引き込まれた負荷を供給するために、燃料電池スタックから利用可能になる前のスタートアッププロセスの間に、ＢＯＰデバイスは補助電源から電力供給される。補助電源の例は、バッテリ、ウルトラキャパシタおよび／または比較的小さな燃焼エンジンを含む。しかしながら、このような補助電源は、それらの出力電流および／またはエネルギー容量において制限され得、それによりＢＯＰデバイスの数を制限し、そして／またはＢＯＰデバイスが供給され得る時間を制限する。

さらに、十分な電圧および電流が、ＢＯＰデバイスによって引き込まれた負荷を供給するために、燃料電池スタックから利用可能になる前のスタートアッププロセスの間に、燃料電池スタックの出力電圧は、その開回路電圧（ＯＣＶ）まで急速に上昇し得る。そのＯＣＶにおいて燃料電池スタックを動作することは、可能性としては燃料電池スタック膜が薄くなることおよび／またはカソードの腐食に起因して望ましくない。

典型的な燃料電池電力システムは、直流（ＤＣ）バスを介して、様々なシステムおよびＢＯＰデバイスに供給する。上記の補助電源は、様々なシステムおよびＢＯＰデバイスに供給するために、ＤＣバスに結合される。燃料電池スタックは、また、適切な電力変換デバイス（線形レギュレータまたは直流直流（ＤＣ／ＤＣ）コンバーター）を介してＤＣバスに結合され、この適切な電力変換デバイスは、燃料電池スタックから提供されたＤＣ電圧における電力をＤＣバスの電圧に転換するように動作可能である。

コンタクタが、燃料電池スタックのスタートアップおよびシャットダウンプロセスを容易にするために、ＤＣバスから燃料電池スタックに電気的に結合および結合解除するために使用され得る。しかしながら、燃料電池スタック、ＢＯＰ負荷および補助電源供給の協働動作に対するコンタクタのタイミング動作は困難である。コンタクタの動作の不適切な協働は、燃料電池スタックへの上記の損傷をもたらし得る。さらに、コンタクタの動作の不適切な協働は、燃料電池スタックをバックドライブするなどの他の問題を引き起こし得る。

燃料電池スタックがそのＢＯＰデバイスによって用いられる電力を提供するとき、電力損失が、ＤＣ／ＤＣコンバーター（および付随する伝送ワイヤ）において発生する。なぜなら、電力は最初にＤＣ／ＤＣコンバーターを通過しなければならないからである。従って、システム効率はこのような電力損失によって減少される。

当該分野においては進歩があるが、スタートアッププロセスの間の燃料電池スタックの電圧制御を向上させることと、燃料電池システムの電力効率を増加させることとのニーズが当該分野において残っている。本開示は、これらのニーズに取り組み、さらなる関連する利点を提供する。

（発明の簡単な概要）
一局面において、電力システムは、燃料電池スタック一次電源と、二次電源と、第一の直流バスと、該二次電源の電圧が該燃料電池スタック一次電源の電圧よりも大きい場合、該二次電源からの電力を該第一の直流バスに電気的に結合する第一の電圧制御要素と、該燃料電池スタック一次電源の電圧が該二次電源の電圧よりも大きい場合、該燃料電池スタック一次電源からの電力を該第一の直流バスに電気的に結合する第二の電圧制御要素と、該第一の直流バスに電気的に結合された少なくとも１つのバランスオブプラント負荷とを備えている。

さらなる局面において、電力システムは、第一の量の電力を提供するように動作可能な電源と、燃料電池スタック電圧において、第二の量の電力を提供するように動作可能な燃料電池スタックと、該電源から該第一の量の電力を受容するように動作可能であり、かつ該燃料電池スタックから該第二の量の電力を受容するように動作可能な少なくとも１つのバランスオブプラント（ＢＯＰ）デバイスと、該電源から少なくとも該第一の量の電力を受容するように動作可能であり、かつＤＣバス電圧において動作可能である一次直流（ＤＣ）バスと、該一次ＤＣバスと該少なくとも１つのＢＯＰデバイスとの間に電気的に結合された第一の電圧制御要素であって、該ＤＣバス電圧が該燃料電池スタック電圧よりも大きい場合に、該電源からの該第一の量の電力の少なくとも一部を該少なくとも１つのＢＯＰデバイスに移行するように動作可能である、第一の電圧制御要素と、該燃料電池スタックと該少なくとも１つのＢＯＰデバイスとの間に電気的に結合された第二の電圧制御要素であって、該ＤＣバス電圧よりも大きい該燃料電池スタック電圧に応答して、該燃料電池スタックからの該第二の量の電力の少なくとも一部を該少なくとも１つのＢＯＰデバイスに移行するように動作可能である、第二の電圧制御要素とを備えている。

さらなる局面において、電力システムを動作する方法が開示され、該電力システムは、少なくとも１つのバランスオブプラント（ＢＯＰ）デバイスと、少なくとも１つのＢＯＰデバイスに電気的に結合され、電源電圧において、第一の量の電力を出力するように動作可能な電源と、少なくとも１つのＢＯＰデバイスに電気的に結合され、燃料電池スタック電圧において、第二の量の電力を出力するように動作可能な少なくとも１つの燃料電池スタックとを備えている。上記方法は、燃料電池スタック電圧よりも大きい電源電圧に応答して、該第一の量の電力を用いて、少なくとも１つのＢＯＰデバイスによって引き込まれた負荷を供給することと、該電源電圧よりも大きい少なくとも１つの燃料電池スタック電圧に応答して、該第二の量の電力を用いて、少なくとも１つのＢＯＰデバイスによって引き込まれた負荷を供給することとを包含する。

さらなる局面において、上記方法は、応答して、該第一の量の電力を用いて、少なくとも１つのＢＯＰデバイスによって引き込まれた負荷の第一の部分を供給することと、該電源電圧に実質的に等しい燃料電池スタック電圧に応答して、該第二の量の電力を用いて、少なくとも１つのＢＯＰデバイスによって引き込まれた負荷を供給することとを包含する。

図面において、同一の参照番号は同様の要素または動作を識別する。図面中の要素のサイズおよび相対的な位置は、必ずしも縮尺を合わせられていない。例えば、様々な要素の形状および角度は縮尺が合わせられず、これらの要素の一部は、図面の明瞭さを向上させるために、任意に拡大され、配置される。さらに、描かれるような要素の特定の形状は、特定の要素の実際の形状に関する任意の情報を伝えることを意図されておらず、図面中の認識の容易さのためにのみ選択されている。

図１は、少なくとも１つの燃料電池スタックと、電源と、少なくとも１つのバランスオブプラント（ＢＯＰ）負荷と、２つの電圧制御要素とを備えている電力システムの実施形態の概略図である。 図２は、時間に対する、燃料電池スタック出力電力および電圧をプロットするグラフである。 図３Ａ〜図３Ｃは、図１の第一および第二の電圧制御要素の代替の実施形態の概略図である。 図４Ａ〜図４Ｃは、図１の電源の代替の実施形態の概略図である。 図５は、請求項１に記載の電力システムの例示的な実施形態に対する、燃料および酸化体の供給に関する追加の構成要素を示す概略図である。 図６は、図１の電力システムを動作するプロセスの一実施形態を示すフローチャートである。

以下の説明において、様々な実施形態の完全な理解を提供するために、特定の具体的な詳細が記載される。しかしながら、当業者は、本明細書の教示が、これらの具体的な詳細のうちの１つ以上を有さずに、または他の方法、構成要素、材料などを用いて実施され得ることを認識する。他の例において、一般的にバランスオブプラント（ＢＯＰ）と称される、様々な動作構成要素および制御構成要素を含む、燃料電池システムに関連付けられた周知の構造物は、実施形態の記載が不必要に不明瞭になることを避けるために、詳細に示されたり、記載されたりしない。

他に文脈が必要としない限り、以下に続く明細書および特許請求の範囲全体にわたって、単語「備える、包含する」およびその変形（例えば、「備えている、包含している（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「備えている、包含している（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」）は、開放性包括的な意味で、すなわち「〜を含むが、制限されない」と解釈されるべきである。

本明細書全体にわたった「一実施形態」または「実施形態」への参照は、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ることを意味する。従って、本明細書全体にわたって、様々な場所において、句「一実施形態において」または「実施形態において」は、必ずしも全てが同一の実施形態を参照しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造または特性が、１つ以上の実施形態内で任意の適切な方法で組み合わされ得る。

図１は、少なくとも１つの燃料電池スタック１０２と、電源１０４と、少なくとも１つのバランスオブプラント（ＢＯＰ）負荷１０６と、２つの電圧制御要素１０８、１１０とを含む電力システム１００の実施形態の概略図である。電力システム１００は、本明細書に記載されている様々な実施形態の開示に関連した構成要素を説明することに限られている。電力システム１００のその他の構成要素は簡潔さのために本明細書では説明または記載されない。

電源１０４は、正の電圧レール１１２ａと負の電圧レール１１２ｂとを有する第一の（または一次の）直流（ＤＣ）バス１１２に電気的に結合されている。ＤＣバス１１２は第一の（または一次の）ＤＣ電圧で動作可能である。システム負荷１１４はさらに、正の電圧レール１１２ａと負の電圧１１２ｂとの間でＤＣバス１１２に結合されている。システム負荷１１４は電力システム１００によって供給される複数のＤＣ負荷を表している。その他の実施形態では、直流交流（ＡＣ）変換デバイスが、さらにまたは代わりに、ＡＣ負荷を供給するために使用され得る。さらに、ＤＣ電圧変換デバイス（示されていない）がその他の種々の電圧ＤＣバス（示されていない）に結合されているＤＣ負荷を供給するために使用され得る。

複数のＢＯＰデバイス１０６は、正の電圧レール１１６ａと負の電圧レール１１６ｂとの間の第二の（または二次の）ＤＣバス１１６に電気的に結合されている。第二のＤＣバス１１６は第二の（または二次の）ＤＣ電圧で動作可能である。

説明のため、ＢＯＰデバイス１０６はブロワー１０６ａと、冷却剤ヒーター１０６ｂと、水ポンプ１０６ｃと、一般的なＢＯＰデバイス１０６ｄ（例えば、反応体質再循環ポンプ、ブロワーまたはファン）とを含む。便宜上、第二のＤＣバス１１６に結合されているＢＯＰデバイス１０６ａ−１０６ｄは、まとめてＢＯＰデバイス１０６と呼ばれる。ＢＯＰデバイス１０６は以下でより詳細に記載される。

一般的に、第二のＤＣバス１１６に結合されているＢＯＰデバイス１０６は、厳密な電圧調整を必要としない負荷を有しているものとして特徴付けられ得る。つまり、ＢＯＰデバイス１０６は、あるＤＣ電圧の範囲を超えて充分に動作する。好ましくは、ＢＯＰデバイス１０６の負荷あるいは電力引き込みの量は比較的高い。比較的厳密な電圧調整を必要としているものとして特徴づけられ得、かつ／または比較的小さな負荷として特徴付けられ得るその他のＢＯＰデバイスは、第一のＤＣバス１１２などのその他の適した供給源に結合されている。第二のＤＣバス１１６に結合されているＢＯＰデバイス１０６の特質は以下でより詳細に記載される。

第一のＤＣバス１１２は、第一の電圧制御要素１０８を介して第二のＤＣバス１１６に電気的に結合されている。第一の電圧制御要素１０８は、電源１０４によって生成された電力の第二のＤＣバス１１６を介したＢＯＰデバイス１０６への流れを許可するように動作可能である。燃料電池スタック１０２は、第二の電圧制御要素１１０を介して第二のＤＣバス１１６に電気的に結合されている。第二の電圧制御要素１１０は、燃料電池スタック１０２によって生成された電力の第二のＤＣバス１１６への流れを許可するように動作可能であり、それにより、ＢＯＰデバイス１０６に電力を提供する。従って、以下の本明細書でより詳細に記載される動作状態にある間、ＢＯＰデバイス１０６によって引き込まれた負荷は、燃料電池スタック１０２および／または電源１０４から供給される。

燃料電池スタック１０２のスタートアッププロセスの初期段階の間、第一の電圧制御要素１０８は、燃料電池スタック１０２の電圧が第二のＤＣバス１１６の電圧よりも初めに小さいときには、第一のＤＣバス１１２から第二のＤＣバス１１６へと電力が流れることを許可する。また、燃料電池スタック１０２の電圧が第二のＤＣバス１１６の電圧よりも小さいときには、第二の電圧制御要素１１０は、燃料電池スタック１０２から第二のＤＣバス１１６への電力の流れを妨げる。また、第二の電圧制御要素１１０は、第一のＤＣバス１１２からの燃料電池スタック１０２の充電を妨げる。

スタートアッププロセスの後期段階の間、第二の電圧制御要素１１０は、燃料電池スタック１０２の電圧が少なくとも第二のＤＣバス１１６のＤＣ電圧まで増加するときには、燃料電池スタック１０２から第二のＤＣバス１１６へと電力が流れることを許可する。第二のＤＣバス１１６の電圧が第一のＤＣバス１１２の電圧よりも大きくなるときには、第一の電圧制御要素１０８は、第一のＤＣバス１１２から第二のＤＣバス１１６への電力の流れを妨げる。また、第一の電圧制御要素１０８は、第二のＤＣバス１１６からの第一のＤＣバス１１２の充電を妨げる。

さらに、燃料電池スタック１０２は、直流／直流（ＤＣ／ＤＣ）コンバーター１１８を介して第一のＤＣバス１１２に電気的に結合されている。ＤＣ／ＤＣコンバーター１１８は、燃料電池スタック１０２によって生成された電力量がＢＯＰデバイス１０６に供給された電力量を上回るときには、燃料電池スタック１０２によって生成された電力を第一のＤＣバス１１２に伝達するように動作可能である。代替の実施形態では、リニアーレギュレーターまたはその他の適した電力調整デバイスがＤＣ／ＤＣコンバーター１１８に取って代わり得る。便宜上、そのような適した電力調整デバイスはまたＤＣ／ＤＣコンバーターと以後本明細書で呼ばれる。

燃料電池スタック１０２から受容された電力は、燃料電池スタック１０２の出力電圧でＤＣ／ＤＣコンバーター１１８によって受容される。ＤＣ／ＤＣコンバーター１１８は燃料電池スタック１０８から受容された電力の電圧を第一のＤＣバス１１２の電圧に変換する。従って、燃料電池スタック１０２は、第一のＤＣバス１１２の動作電圧とは異なった動作電圧で電力を生成し得る。

電力システム１００の一部の実施形態はオプションとしてコントローラー１２０を含む。コントローラー１２０は、燃料電池スタック１０２の電気的パラメーターを検出する一つまたはそれよりも多くのセンサー１２２と通信可能なように結合されている。例えば、燃料電池スタック１０２の出力電圧、電力、および／または電流が検知され得る。センサー１２２は検知されたパラメーターに対応して信号をコントローラー１２０へ伝達する。

検知されたパラメーターに基づいて、コントローラー１２０は、第二の電圧制御要素１１０、第一の電圧制御要素１０８、および／またはＤＣ／ＤＣコンバーター１１８の動作を制御し得る。コントローラー１２０の様々な動作および制御の戦略は以下でより詳細に記載される。

図２は、燃料スタック出力の電力および電圧を時間に対してプロットしたグラフ２００である。電圧曲線２０２および電力曲線２０４がグラフ２００で説明されている。電圧曲線２０２は燃料電池スタック１０２の出力電圧に対応する。電力曲線２０４は燃料電池スタック１０２の出力ＤＣ電力（または代わりに出力ＤＣ電流）に対応する。

グラフ２００上の初期時間２０６は、燃料電池スタック１０２（図１）が動作停止している（電力を生成していない）動作状態に対応する。初期時間２０６のすぐ後で、燃料電池スタック１０２のスタートアッププロセスが開始する。例えば、燃料電池スタック１０２はコールドスタートをし得る。または、燃料電池スタック１０２はアイドリングし得、初期時間２０６の後で、燃料は燃料電池スタック１０２を再びスタートアップさせるために追加され得る。

燃料電池スタック１０２がスタートアップするとき、第二の電圧制御要素１１０は、燃料電池スタック１０２から第二のＤＣバス１１６へと電力および／または電流が流れることを妨げる。同時に、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１８は、燃料電池スタック１０２から第一のＤＣバス１１２へと電力および／または電流が流れることを妨げる。従って、電圧曲線部分２０２ａで一般的に表示されるように、燃料電池スタック１０２の出力電圧が増加し始める。燃料電池スタック１０２のスタートアップのこの段階は、便宜上フェーズＩとして言及および説明される。フェーズＩの間の燃料電池スタック１０２の電力出力は実質的にゼロである（電力曲線部分２０４ａ参照）。

フェーズＩの間、電源１０４からの電力は第一の電圧制御要素１０８を介してＢＯＰデバイス１０６に供給する。従って、第二のＤＣバス１１６の電圧は第一のＤＣバス１１２の電圧と実質的に等しい。第二の電圧制御要素１１０およびＤＣ／ＤＣコンバーター１１８は燃料電池スタック１０２からの電力の流れを妨げるので、燃料電池スタック１０２の徐々に上昇している出力電圧（電圧曲線部分２０２ａ参照）は第二のＤＣバス１１６の電圧に影響しない。

燃料電池スタック１０２のスタートアッププロセスの間のある点では、燃料電池スタック１０２の出力電圧は、グラフ２００上の時間２０８に示されているように、第二のＤＣバス１１６の電圧と等しくなる。時間２０８では、第二の電圧制御要素１１０は、燃料電池スタック１０２を第二のＤＣバス１１６に電気的に結合する。代替の実施形態では、第二の電圧制御要素１１０は時間２０８で導電性になる。従って、燃料電池スタック１０２からの電力および／または電流は第二のＤＣバス１１６に伝えられる。燃料電池スタック１０２のスタートアップのこの段階は、便宜上フェーズＩＩとして言及および説明される。

第二の電圧制御要素１１０が燃料電池スタック１０２から第二のＤＣバス１１６へと電力および／または電流が流れることを許可し、それによりＢＯＰ負荷１０６に供給するとき、燃料電池スタック１０２の出力電圧が第一のＤＣバス１１２の電圧によって制御される。従って、燃料電池スタック１０２および電源１０４は実質的に等しいＤＣ電圧で動作する。

燃料電池スタック１０２の出力電圧は第二のＤＣバス１１６の電圧と実質的に等しくなるように固定されるので、徐々に増加している電力量はＢＯＰデバイス１０６によって消費される電力の一部分を供給するために燃料電池スタック１０２から引き込まれ得る。すなわち、燃料電池スタック１０２における反応プロセスが増加するにつれて、かつ、燃料電池スタック１０２の出力電圧が固定されていることを考慮すると、燃料電池スタック１０２の電力および／または電流出力は増加する。

燃料電池スタック１０２の電圧が実質的に第二のＤＣバス１１６の電圧と等しく、かつ、燃料電池スタック１０２からの電力出力が徐々に増加する、本フェーズのスタートアッププロセスは、フェーズＩＩとして図２に言及および説明される。従って、電圧曲線２０２の電圧曲線部分２０２ｂは燃料電池スタック１０２の固定された出力電圧を説明している。電力曲線部分２０４ｂは、第二の電圧制御要素１１０を介して、燃料電池スタック１０２によってＢＯＰデバイス１０６へと供給される徐々に増加している電力および／または電流を説明している。

フェーズＩＩの間、ＢＯＰデバイス１０６によって消費される電力および／または電流の一部分は燃料電池スタック１０２から供給され、かつ、ＢＯＰデバイス１０６によって消費される電力および／または電流の残りの部分は電源１０４から供給される。燃料電池スタック１０２に対するＢＯＰデバイス１０６の負荷は、燃料電池カソード５１０（図５）の腐食を最小限にとどめ、かつ、燃料電池スタック１０２がそれ自身の開回路電圧（ＯＣＶ）に対して上昇するのを妨げるのに役立つ。フェーズＩＩが進むにつれて、燃料電池スタック１０２からＢＯＰデバイス１０６へと供給される電力量は増加し、かつ、電源１０４から供給される量は減少する。

図２に示されるスタートアッププロセスの間のある点において、ＢＯＰデバイス１０６によって引き込まれる電力および／または電流の量は、燃料電池スタック１０２から全体的に供給され、これは便宜上時間２１０として示される。時間２１０において、燃料電池スタック１０２の電圧は、電気的生成プロセスが進行するにつれ、増加する。なぜなら、追加の電力または電流は、燃料電池スタック１０２から引き込まれないからである。第一のＤＣバス１１２の電圧より高く増加する燃料電池スタック１０２の電圧に応答して、第一の電圧制御要素１０８は、第二のＤＣバス１１６から第一のＤＣバス１１２に流れる電力を阻止するか、または防ぐ。

時間２１０において、スタートアッププロセスはフェーズＩＩＩに入る。フェーズＩＩＩの間に、燃料電池スタック１０２の出力電圧は、第二のＤＣバス１１６の電圧を制御する。フェーズＩＩＩは、概して、電力曲線部分２０４ｃによって示されるような、燃料電池スタック１０２から出力された実質的に一定の電力および／または電流と、電圧曲線部分２０２ｃによって示されるような、燃料電池スタック１０２の徐々に増加する出力電圧とを特徴とする。

ＢＯＰデバイス１０６によって引き込まれる電力は、フェーズＩＩＩの間にわずかに増加し得る。なぜなら、ＢＯＰデバイス１０６の負荷の一部が抵抗性であるからである。抵抗性の負荷によって消費される電力は、増加する電圧によって増加する。

時間のある時点（便宜上時間２１２として示される）において、燃料電池スタック１０２の出力電圧は、所望の動作電圧（ＯＶ）に達する。燃料電池スタック１０２のこの所望の動作電圧は、燃料電池スタック１０２が効率よく動作する電圧であり得る。従って、スタートアッププロセスはフェーズＩＶに入る。

便宜のために、フェーズＩＶの間の燃料電池スタック１０２の出力電圧は、電圧曲線部分２０２ｄによって示されるように、実質的に一定であるように示される。実際には、燃料電池スタック１０２の所望の動作電圧は、選択された判定基準に基づく、任意の適切な動作電圧であり得、フェーズＩＶの間に変化さえし得る。フェーズＩＶの間に、電圧曲線部分２０２ｄは、電圧曲線部分２０２ｄ（第一のＤＣバス１１２の電圧に対応する）よりも高いままである。

フェーズＩＶの間、燃料電池スタック１０２から出力された増加した電力および／または電流は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１８を介して第一のＤＣバス１１２に移行される。ＤＣ／ＤＣコンバーター１１８を介して第一のＤＣバス１１２に移行された電力が、ＢＯＰデバイス１０６によって引き込まれた電力と、燃料電池スタック１０２によって生成された電力との間の差にほぼ等しいことが認識される。ＤＣ／ＤＣコンバーター１１８がコントローラー１２０によって制御されるので、燃料電池スタック１０２の出力電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１８の動作を選択的に制御することによって制御可能であり得ることがさらに認識される。

さらに、ＢＯＰデバイス１０６によって引き込まれた負荷は、フェーズＩＶの間に変化し得る。コントローラー１２０は、ＢＯＰデバイスによって引き込まれた電力の変化に応答してＤＣコンバーター１１８を動作し、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１８を介して、第一のＤＣバス１１２へ、燃料電池スタック１０２から対応する量の電力を移行する。

燃料電池スタック１０２から出力された電力および／または電流は、フェーズＩＶの間に、通常の動作電力および／または燃料電池スタック１０２の電流出力まで増加し、これは時間２１４において概して示される。時間２１４において、スタートアッププロセスは完了する。換言すると、燃料電池スタック１０２は、その設計された動作状態および／または意図された動作状態において、動作され、図２において概してフェーズＶで示される。便宜のために、燃料電池スタック１０２の出力電圧は、一定であるように示される（電圧曲線部分２０２ｅ）。同様に便宜のために、燃料電池スタック１０２の出力電力は、一定であるように示される（電力曲線部分２０４ｅ）。フェーズＶの間に、燃料電池スタック１０２は、燃料電池スタック１０２が動作するように設計される、任意の適切な出力電圧および／または任意の適切な出力電力において、動作され得ることが認識される。

電力システム１００の上記の動作は、燃料電池スタック１０２の性質に依存して、図２のフェーズＩ−Ｖにおいて示される仮定的な例示的プロセスから変更し得る。例えば、フェーズＩの間の燃料電池スタック１０２の徐々に増加する出力電圧は、図２において示されるように必ずしも見える必要はない場合がある。一部の状況において、電圧は、より大きい速度またはより小さい速度で変化し得るか、または非線形の方法で変化さえし得る。フェーズＩの間の電圧曲線２０２ａは、電力システム１００の実施形態において使用されるような任意の適切な燃料電池スタック１０２の仮定的なスタートアップの一部分を一般的に示すように意図される。さらに、フェーズＩの期間の相対的な長さは、図２に示される長さよりも長かったり、短かったりする。

同様に、示される電圧曲線部分２０２ｂ−２０２ｅおよび示される電力曲線部分２０４ａ―２０４ｅは、図２の簡略化された仮定的な例から変更し得る。従って、フェーズＩ−Ｖの間に、燃料電池スタック１０２の出力電圧および電力における示される変化は、電力システム１００の仮定的な実施形態の動作を一般的に示すように意図される。

電力システム１００の実施形態は、また、動作する燃料電池スタック１０２のシャットダウンを容易にする（図１）。一実施形態におけるシャットダウンプロセスは、燃料電池スタック１０２への酸化体の流れを最初に停止することによって開始される。燃料電池スタック１０２内の反応プロセスが酸化体を消費するにつれ、反応プロセスは遅くなる。従って、燃料電池スタック１０２から出力された電力は減少する。燃料電池スタック１０２の出力電圧は、相対的に一定に保持され得るか、またはＤＣ／ＤＣコンバーター１１８の動作を介するシャットダウンプロセスのフェーズの間に制御可能に変更され得る。このフェーズの間に、ＢＯＰデバイス１０６によって引き込まれた電力は、燃料電池スタック１０２から供給され、ＢＯＰデバイス１０６によって引き込まれた過剰な量の電力における電力は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１８を介して第一のＤＣバス１１２に移行される。このシャットダウンプロセスのフェーズは、概して、図２に示されるフェーズＩＶの逆進に対応する。

ある時点において、燃料電池スタック１０２から出力された減少している電力は、ＢＯＰデバイス１０６にちょうど等しい。従って、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１８は、燃料電池スタック１０２から第一のＤＣバス１１２に電力が流れないように動作される。

シャットダウンプロセスにおける時点の後で、燃料電池スタック１０２の出力電圧が減少する。従って、燃料電池スタック１０２の出力電圧によって制御される第二のＤＣバス１１６の電圧もまた減少する。シャットダウンプロセスのこのフェーズは、概して、図２に示されるフェーズＩＩＩの逆進に対応する。

ある時点において、第二のＤＣバス１１６（および燃料電池スタック１０２の出力電圧）は、第一のＤＣバス１１２の電圧に実質的に等しい値まで減少する。次いで、第一の電圧制御要素１０８は、第一のＤＣバス１１２を第二のＤＣバス１１６と電気的に結合する。従って、第一のＤＣバス１１２および第二のＤＣバス１１６の電圧は実質的に等しい。さらに、燃料電池スタック１０２の出力電圧は、第二のＤＣバス１１６と実質的に同一の電圧において保持され、該電圧は電源１０４の出力電圧によって調整される。

燃料電池スタック１０２からの出力電圧は減少し続ける。ＢＯＰデバイス１０６が電力を引き込み続けるので、燃料電池スタック１０２から供給される電力における変化は、電源１０４からの電力によってオフセットされる。シャットダウンプロセスのこのフェーズは、概して、図２に示されるフェーズＩＩの逆進に対応する。シャットダウン中の燃料電池スタック１０２におけるＢＯＰデバイスの負荷は、燃料電池のカソード５１０（図５）の腐食を最小化することを助け、燃料電池スタック１０２が、そのＯＣＶを上昇させることを防ぐ。ＢＯＰデバイス１０６の負荷が燃料電池スタック１０２から電源１０４までシフトされて戻るので、燃料電池スタック１０２の任意の特定の燃料電池のセルリバーサル（ｃｅｌｌ ｒｅｖｅｒｓａｌ）への駆動または燃料の燃料電池スタック１０２の任意の特定の燃料電池の燃料不足の機会はほとんどない。

最終的に、燃料電池スタック１０２の出力電力は実質的にゼロである。燃料電池スタック１０２内の電圧のゼロへの低下は、シャットダウンプロセスを終結する。

上記のように、第二のＤＣバス１１６に結合されたＢＯＰデバイス１０６は、しっかりとした電圧調整を必要としない電力引き込みを有するように特徴づけられ得る。すなわち、第二のＤＣバス１１６上の負荷は、比較的に広い範囲のＤＣ電圧に対して満足いくように動作する。従って、上記の動作フェーズＩ−ＩＶ（図２）の間に、ＢＯＰデバイス１０６は、第一のＤＣバス１１２の動作電圧（フェーズＩおよびＩＩ）と、燃料電池スタック１０２の出力電圧（フェーズＩＩＩ−ＩＶ）との間の任意のＤＣ電圧において、満足いくように動作する。

例えば、流体を燃料電池スタック１０２に輸送するように動作可能な示されるブロワー１０６ａおよび／または水ポンプ１０６ｃは、可変のＤＣ電圧において動作可能なＤＣモータを備え得る。例えば、図２に示されるフェーズＩおよびＩＩの間に、第一のＤＣバス１１２の電圧において供給される場合などのより小さいＤＣ電圧において、ブロワー１０６ａおよび／または水ポンプ１０６ｃは、燃料電池スタック１０２に対して十分な流体フローを提供し、スタートアッププロセスの初期フェーズに適応させる。ＢＯＰデバイス１０６に供給される電圧が増加する（例えば、図２に示されるようなフェーズＩＩＩの間）につれ、（増加する電圧に起因する）ブロワー１０６ａおよび／または水ポンプ１０６ｃの出力は、燃料電池スタック１０２のより高い電力出力動作に適応させるために、流体フローを増加し得る。

便宜のために、４つのＢＯＰデバイス１０６が第二のＤＣバス１１６に結合されるように示された。任意の適切な数のＢＯＰデバイス１０６が第二のＤＣバス１１６に結合され得る（単一のＢＯＰデバイス１０６を含む）ことが認識される。さらに、比較的に少ない量の電力を引き込むＢＯＰデバイス１０６が、便宜上、随意に第二のＤＣバス１１６に結合され得る。

一般的に、ＢＯＰデバイス１０６は、燃料電池スタック１０２または電力システム１００の動作に関連するバランスオブプラントタイプの負荷であることが理解される。代替の実施形態において、他のタイプの負荷デバイスがまた、第二のＤＣバス１１６に結合され得る。例えば、電力システム１００が車両内に存在する場合、客室のヒーターが第二のＤＣバス１１６に結合され得る。

一部の実施形態において、複数のＢＯＰデバイス１０６は、オプションのコンタクタ、スイッチまたは適切な接続デバイス１２２を介して第二のＤＣバス１１６に結合可能である。一部の実施形態は、別のコンタクタ、スイッチまたは適切な接続デバイス１２４を提供し得、その結果、ＢＯＰデバイス１０６は代替的に第一のＤＣバス１１２に結合され得る。

さらに、全てではないＢＯＰデバイスは、第二のＤＣバス１１６に結合されなければならない。他のＢＯＰデバイス（図示せず）、例えば、比較的小さい負荷を引き込むＢＯＰデバイスまたは好適には所望の電圧において調整されるＢＯＰデバイスは、第一のＤＣバス１１２または別の適切な電源に結合され得る。

さらに、ＢＯＰデバイス１０６を第二のＤＣバス１１６に結合することによって、全体のシステム損失が減少され得、動作効率は増加する。例えば、示されるブロワー１０６ａは、エアコンプレッサ５３４（図５）の構成要素であり得る。ブロワー１０６ａは。燃料電池スタック１０２からの出力電力全体の１０％〜２０％を消費し得る。ブロワー１０６ａを第二のＤＣバス１１６に直接結合することによって、電力は燃料電池スタック１０２の出力から直接的に供給され得る。従って、損失は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１８（および付随する伝送ワイヤ）において減少される。なぜなら、ブロワー１０６ａによって引き込まれる電力は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１８を介して第一のＤＣバスに伝送されることは必要ではないからである。従って、ＢＯＰデバイス１０６は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１８を通って伝送される電力を介して供給されることが必要ではないので、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１８（およびその関連するコスト）のサイズは減少され得る。

上記のように、フェーズＩおよびＩＩの間（図２）、燃料電池スタック１０２の出力電圧は、第一のＤＣバス１１２の動作電圧以下の値に保持される。フェーズＩＩＩ−Ｖの間に、燃料電池スタック１０２の出力電圧は、燃料電池スタック１０２の意図される動作電圧以下の値に保持される。従って、燃料電池スタック１０２の出力電圧は燃料電池スタック１０２のＯＣＶまで増加せず、それにより、そのＯＣＶにおいて燃料電池スタック１０２を動作することに関連する、膜が薄くなること、および／またはカソードの腐食を避ける。

図３Ａ〜図３Ｃは、第一の電圧制御要素１０８および第二の電圧制御要素１１０の代替の実施形態の概略図である。任意の適切な電圧制御要素１０８、１１０が代替の実施形態において使用され得る。

図３Ａは、第一の電圧制御要素１０８および第二の電圧制御要素１１０がそれぞれダイオード１０８ａおよび１１０ａを備えている実施形態を示す。各ダイオード１０８ａ、１１０ａは、アノード３０２およびカソード３０４を備えている。ダイオード１０８ａのアノード３０２は、燃料電池スタック１０２の正の端子３０６に結合される。ダイオード１０８ａのカソード３０４は、第二のＤＣバス１１６を介してＢＯＰデバイス１０６に結合される。同様に、ダイオード１１０ａのアノード３０２は、第一のＤＣバス１１２に結合され、ダイオード１０８ａのカソード３０４は、第二のＤＣバス１１６を介してＢＯＰデバイス１０６に結合される。

第一のＤＣバス１１２の電圧が第二のＤＣバス１１６の電圧に実質的に等しいとき、電源１０４から第二のＤＣバス１１６まで電流を（従って電力を）伝導させるために、ダイオード１０８ａは順方向にバイアスされる。燃料電池スタック１０２の出力電圧が第二のＤＣバス１１６の電圧に実質的に等しいとき、燃料電池スタック１０２から第二のＤＣバス１１６まで電流を（従って電力を）伝導させるために、ダイオード１１０ａは順方向にバイアスされる。代替の実施形態において、他の固体状態伝導デバイスは、第一の電圧制御要素１０８および第二の電圧制御要素１１０に対して使用され得る。

図３Ｂは、第一の電圧制御要素１０８および第二の電圧制御要素１１０が、それぞれ制御可能な伝導デバイス１０８ｂおよび１１０ｂを備えている実施形態を示す。各制御可能な伝導デバイス１０８ｂ、１１０ｂは、ドレイン３０８、ソース３１０およびゲート３１２を備えている。制御可能な伝導デバイス１０８ｂのドレイン３０８は、燃料電池スタック１０２の正の端子３１０に結合される。制御可能な伝導デバイス１０８ｂのソース３１０は、第二のＤＣバス１１６を介してＢＯＰデバイス１０６に結合される。同様に、制御可能な伝導デバイス１１０ｂのドレイン３０８は、第一のＤＣバス１１２に結合され、制御可能な伝導デバイス１０８ｂのソース３１０は、第二のＤＣバス１１６を介してＢＯＰデバイス１０６に結合される。

ゲート３１２は、コントローラー１２０に結合される。ゲート３１２において、コントローラー１２０から受信された制御信号は、制御可能な伝導デバイス１０８ｂ、１１０ｂを、以下でさらに詳細に説明されるように、伝導性または非伝導性にさせる。

制御可能な伝導デバイス１０８ｂは、ゲーティング制御信号がコントローラー１２０から受信されるとき、電源１０４から第二のＤＣバス１１６まで電流（従って電力）を伝導させるために、順方向にバイアスされる。コントローラー１２０は、燃料電池スタック１０２の出力電圧が第二のＤＣバス１１６の電圧より大きくなる（フェーズＩ、図２参照）か、または第二のＤＣバス１１６の電圧と実質的に等しくなる（フェーズＩＩ）とき、ゲーティング制御信号を制御可能な伝導デバイス１０８ｂに通信する。

制御可能な伝導デバイス１１０ｂは、ゲーティング制御信号がコントローラー１２０から受信されるとき、燃料電池スタック１０２から第二のＤＣバス１１６まで電流（従って電力）を伝導させるために、順方向にバイアスされる。コントローラー１２０は、燃料電池スタック１０２の出力電圧が第二のＤＣバス１１６の電圧と実質的に等しくなる（フェーズＩＩ）まで増加するとき、ゲーティング制御を制御可能な伝導デバイス１１０ｂに通信する。制御可能な伝導デバイス１１０ｂへのゲーティング制御信号が次いで維持される（フェーズＩＩＩ−Ｖ）。

同様に、制御可能な伝導デバイス１０８ｂは、ゲーティング制御信号がコントローラー１２０によって除去されるとき、電源１０４から第二のＤＣバス１１６までの電流の流れ（従って電力）を防ぐようにブロックされる。コントローラー１２０は、第一のＤＣバス１１２の電圧が第二のＤＣバス１１６の電圧未満である（フェーズＩＩＩ−Ｖ）とき、制御可能な伝導デバイス１０８ｂへのゲーティング制御を除去する。

制御可能な伝導デバイス１１０ｂは、ゲーティング制御信号がコントローラー１２０によって除去されるとき、燃料電池スタック１０２から第二のＤＣバス１１６への電流の流れ（従って電力）を防ぐようにブロックされる。コントローラー１２０は、燃料電池スタック１０２の出力電圧が第二のＤＣバス１１６の電圧未満である（フェーズＩ）とき、制御可能な伝導デバイス１１０ｂへのゲーティング制御信号を除去する。

様々な実施形態において、任意の適切な制御可能な固体状態伝導デバイスは、第一の電圧制御要素１０８および第二の電圧制御要素１１０に対して使用され得る。制御可能な伝導デバイス１０８ｂおよび１１０ｂの非制限的な例は、適切な電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。

図３Ｃは、第一の電圧制御要素１０８および第二の電圧制御要素１１０が、それぞれ制御可能なスイッチ１０８ｃおよび１１０ｃを備えている実施形態を示す。各制御可能なスイッチ１０８ａ、１１０ａは、第一の端子３１４と、第二の端子３１６と、第三の端子３１８とを備えている。

制御可能なスイッチ１１０ｃの第一の端子３１４は、燃料電池スタック１０２の正の端子３０６に結合される。制御可能なスイッチ１０８ｃの第二の端子３１６は、第二のＤＣバス１１６を介してＢＯＰデバイス１０６に結合される。制御可能なスイッチ１０８ｃの第三の端子３１８は、コントローラー１２０に結合される。同様に、制御可能なスイッチ１１０ｃに関して、第一の端子３１４は第一のＤＣバス１１２に結合され、第二の端子３１６は第二のＤＣバス１１６を介してＢＯＰデバイス１０６に結合され、第三の端子３１８はコントローラー１２０に結合される。

制御信号がコントローラー１２０から受信されるとき、制御可能なスイッチ１０８ｃが閉じられ、電源１０４から第二のＤＣバス１１６までの電流の流れ（従って電力）を伝導させる。第一のＤＣバス１１２が、第二のＤＣバス１１６の電圧より大きい（フェーズＩ）か、または実質的に等しい（フェーズＩＩ）とき、コントローラー１２０は、制御可能な伝導デバイス１０８ｃの第三の端子３１８に信号を通信する。

制御信号がコントローラー１２０から受信されるとき、制御可能なスイッチ１１０ｃが閉じられ、燃料電池スタック１０２から第二のＤＣバス１１６までの電流の流れ（従って電力）を伝導させる。燃料電池スタック１０２の出力電圧が第二のＤＣバス１１６の電圧と実質的に等しい（フェーズＩＩ）か、または大きい（フェーズＩＩＩ−Ｖ）とき、コントローラー１２０は、制御可能な伝導デバイス１１０ｃの第三の端子３１８に信号を通信する。

同様に、スイッチ１０８ｃを開くための制御信号がコントローラー１２０から受信されるとき、制御可能なスイッチ１０８ｃが開かれ、電源１０４から第二のＤＣバス１１６までの電流の流れ（従って電力）を防ぐ。第一のＤＣバス１１２の電圧が、少なくとも第二のＤＣバス１１６の電圧未満である（フェーズＩＩＩ−Ｖ）とき、コントローラー１２０は、開スイッチ制御信号を制御可能な伝導デバイス１０８ｃに通信する。

制御信号がコントローラー１２０から受信されるとき、制御可能な伝導デバイス１１０ｃが開かれ、燃料電池スタック１０２から第二のＤＣバス１１６までの電流の流れ（従って電力）を防ぐ。燃料電池スタック１０２の出力電圧が、実質的に第二のＤＣバス１１６の電圧未満である（フェーズＩ）とき、コントローラー１２０は、開スイッチ信号を制御可能な伝導デバイス１１０ｃに通信する。

様々な実施形態において、任意の適切な固体状態伝導デバイスが、第一の電圧制御要素１０８および第二の電圧制御要素１１０に対して使用され得る。制御可能な伝導デバイス１０８ｃおよび１１０ｃの非制限的な例は、適切な電子機械スイッチまたは電気スイッチである。

図３Ａ〜図３Ｃにおいて上記され示された第一の電圧制御要素１０８および第二の電圧制御要素１１０の様々な代替の実施形態は網羅的ではない。さらに、第一の電圧制御要素１０８および第二の電圧制御要素１１０は、同一のデバイスである必要はない。例えば、第一の電圧制御要素１０８は、ダイオード（図３Ａ）を備え得、第二の電圧制御要素１１０は、制御可能な伝導デバイス１１０ｂ（図３Ｂ）を備え得る。電力システム１００の代替の実施形態において、第一の電圧制御要素１０８および第二の電圧制御要素１１０の任意の異なるタイプの組み合わせが可能である。

図４Ａ〜図４Ｃは、電源１０４（図１）の代替の実施形態の概略図である。図４Ａは、バッテリ、複数のバッテリまたは複数のバッテリセル（概して参照番号４０２で示される）を備えている電源１０４の第一の実施形態を示す。任意のタイプの適切なバッテリ（例えば、再充電可能なバッテリ）が使用され得る。

図４Ｂは、スーパーキャパシタ、ウルトラキャパシタ、複数のスーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタ、あるいはスーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタセル（概して参照番号４０４で示される）を備えている電源１０４の第二の実施形態を示す。スーパーキャパシタ４０４は、例えば、例示的なダイオード４０８などの他のデバイスに結合され得る。任意のタイプの適切なキャパシタ４０６が使用され得る。

図４Ｃは、交流電流（ＡＣ）システム４１０を備えている電源１０４の第三の実施形態を示す。ＡＣシステム４１０は、ＡＣ電源４１２および交流直流（ＡＣ／ＤＣ）コンバーター４１６を備えている。ＡＣ電源４１２は、電力生成モードで動作可能な任意の適切なＡＣマシンであり得る。例えば、ＡＣ電源４１２は、化石燃料燃焼エンジンなどに機械的に結合され得る。別の例として、ＡＣ電源４１２は、モータとして動作されるとき、車両のホイールまたは軸に結合され得、そして車両を推進するために使用され、車両を遅くするかまたは停止するためにブレーキとして使用される。ブレーキとして使用されるとき、ＡＣ電源４１２は、遅くなるかまたは停止する車両の運動エネルギーを電力に変換する発電機として動作し得る。任意のタイプの適切なＡＣ電源４１２が使用され得る。

ＡＣ／ＤＣコンバーター４１４は、ＡＣ電源４１２から受信されたＡＣ電力をＤＣ電力に変換する。次いで、ＤＣ電力は、第一のＤＣバス１１２（図１）に移行される。様々な実施形態において、任意の適切なタイプのＡＣ／ＤＣコンバーター４１４が使用され得る。

他の利益は電力システム１００の様々な実施形態から認識される。例えば、ＢＯＰデバイス１０６を第二のＤＣバス１１６に結合し、そして第一のＤＣバス１１２の電圧が燃料電池スタック１０２の動作電圧より大きいときに負荷を電源１０４にシフトすることによって、リバースモードにおいて動作する燃料電池スタック１０２の確率が減少する。同様に、燃料電池スタック１０２の燃料不足の確率が減少する。

上記のように、様々な実施形態が燃料電池スタック１０２のスタートアップおよびシャットダウンプロセスを容易にする。燃料電池スタック１０２のスタートアップおよびシャットダウンプロセスは燃料電池スタック１０２の出力電圧および出力電力に関して上記された。燃料電池スタック１０２の例示的なスタートアップおよびシャットダウンプロセスは、燃料電池スタック１０２の例示的な燃料および酸化体システムに対して、燃料電池スタック１０２への燃料および酸化体の制御に関して、以下に説明される。

図５は、電力システム１００の例示的な実施形態に燃料および酸化体を供給することに関する付加的な構成要素を描く概略図である。電力システム１００は、（燃料電池スタック１０２の）例示的な燃料電池５０２およびコントローラー５０４を示す。コントローラー５０４および上記のコントローラー１０４（図１）は、同一のデバイスまたは別々のデバイスとして実装され得る。

燃料電池５０２は、少なくとも１つの膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）５０６を含み、該膜電極アセンブリは、２つの電極と、イオン交換膜５１２によって分離されたアノード５０８と、カソード５１０とを含む。燃料電池５０２は、また、一対の流れ場プレート５１４ａ、５１４ｂを備えている。示される実施形態において、流れ場プレート５１４ａは、燃料をアノード５０８に運搬するための、流れ場プレート５１４ａの平坦な表面上に形成された１つ以上の反応体チャネル（図示せず）を含む。流れ場プレート５１４ｂは、酸化体をカソード５１０に運搬するための、流れ場プレート５１４ｂの平坦な表面上に形成された１つ以上の酸化体チャネル（図示せず）を含む。一部の実施形態において、酸化体を運搬する酸化体チャネルがまた、カソード５１０から離れるように、排気および生成水を運搬する。

燃料電池５０２は、燃料電池５０２への供給燃料ストリームを導入するための燃料ストリーム入口ポート５１６と、燃料電池５０２からの排出燃料ストリームを放出するための燃料ストリーム出口ポート５１８とを含む。排出燃料ストリームは、主に、水、非反応性構成要素、不純物およびある量の残渣燃料を備える。便宜のために、燃料ストリーム入口ポート５１６はまたアノード入口、反応体入口などとも呼ばれ得る。供給および排出燃料ストリームは、便宜上、反応体燃料ストリームと集合的に呼ばれ得る。

一部の実施形態において、電力システム１００は、燃料電池５０２から燃料入口５１６に戻るように燃料排出ストリームを再循環するように設計される再循環システム５２０を有し得る。ポンプ５２２は、所望の流量において、燃料電池スタック１０２の燃料電池５０２に燃料を再循環する。ポンプ５２２は、上記の第二のＤＣバス１１６から供給されるために適切なＢＯＰデバイス１０６（図１）であり得る。オプションで、再循環バルブ５２４は、再循環システム５２０を通る流れを制御するために含まれ得る。複数の燃料電池５０２が燃料電池スタック１０２に直列に結合されているとき、再循環システム５２０は、燃料電池５０２の全てに流体により結合され得、燃料電池５０２の全てに燃料を再循環および／または供給するように動作可能である。

燃料電池５０２は、動作中に、燃料電池に供給される燃料の実質的に全てを消費するように設計されるが、少量の未反応の燃料もまた、燃料ストリーム出口ポート５１８において一時的にパージバルブ５２６を開くことによって実行される、燃料電池スタック１０２のパージの間に、燃料ストリーム出口ポート５１８を通って排出され得る。複数の燃料電池５０２が燃料電池スタック１０２に直列に結合されているとき、パージバルブ５２６は、燃料電池５０２の全てに流体により結合され得、燃料電池５０２の全てから未反応の燃料を放出するように動作可能である。便宜のために、燃料ストリーム出口ポート５１８はまた、反応体出口などと呼ばれ得る。

一実施形態において、各膜電極アセンブリ５０６は、アノード５０８とカソード５１０との間に公称電位を生成するように設計される。従って、複数の個別の膜電極アセンブリ５０６およびそれらが関連付けられる流れ場プレート５１４ａ、５１４ｂは、所望の電圧において電流を生成するために、燃料電池スタック１０２において直列で電気的に動作される。

燃料供給源システム５２８は、燃料供給源システム５２８によって、アノード５０８に燃料（例えば、水素）を提供する。例えば、燃料供給減システム５２８は、燃料の供給源（例えば、１つ以上の燃料タンク（図示せず））および燃料の送達を制御する燃料調整システム（図示せず）を含み得る。燃料供給源システム５２８は、メインガスバルブ５３０に結合され得る。バルブ５３０は、流れ場プレート５１４ａへの燃料導入の流れを制御するコントローラー５０４によって自動的に制御される。従って、メインガスバルブ５３０は、コントローラー５０４からの信号に応答して開閉する。一実施形態において、コントローラー５０４は、新しい反応体が反応体流体ストリームに加えられる速度に少なくとも減少させるために、メインガスバルブ５３０を絞る。複数の燃料電池５０２が燃料電池スタック１０２に直列に結合されているとき、メインガスバルブ５３０は、燃料電池５０２の全てに流体により結合され得、燃料電池５０２の全てに燃料を提供するように動作可能である。

パージバルブ５２６は、燃料電池スタック１０２の燃料ストリーム出口ポート５１８において提供され、そして燃料電池スタック１０２が動作しているときは典型的には閉位置である。従って、燃料は、所望の速度の電気化学反応を維持するために必要とされる場合にのみ、燃料電池スタック１０２に供給される。一実施形態において、窒素（および他の不純物）は、上記のように燃料ストリームを汚染し始め得る。これらの不純物の存在が燃料電池の劣化した性能を導く場合には、コントローラー５０４または別の適切な制御システムは、燃料ストリームにおいて収集され得る不純物および他の非反応体構成要素の放出を可能にするように開くために、パージバルブ５２６に信号を送信する。パージの間の燃料のベントは、有用な燃料の損失を制限するために、短い期間に適切に制限される。なぜならこのような損失は、燃料電池システムの効率を低下させるからである。

電力システム１００は、酸化体供給システム５３２によって、膜電極アセンブリ５０６のカソード側に酸化体を酸化体ストリームとして提供する。酸化体供給システム５３２への酸素または空気の供給源は、空気タンクまたは周囲の大気の形態をとり得る。エアコンプレッサ５３４は、所望の流量で、酸化体入口５３８を介して燃料電池スタック１０２に酸化体を提供する。上記のように、エアコンプレッサ５３４は、第二のＤＣバス１１６から供給されるために適切なＢＯＰデバイス１０６（図１）であるブロワーを用い得る。オプションで、酸化体供給バルブ５３６もまた含まれ得る。酸化体は、酸化体出口５４０を介して燃料電池スタック１０２から出る。複数の燃料電池５０２が燃料電池スタック１０２において直列に結合されているとき、酸化体供給システム５３２、エアコンプレッサ５３４および酸化体供給バルブ５３６は、燃料電池５０２の全てに流体により結合され、燃料電池５０２の全てに空気または酸化体を供給するように動作可能である。

一部の実施形態において、オプションの湿度交換器（図示せず）が酸化体に水蒸気を加え、イオン交換膜５１２を湿潤に保つ。オプションの湿度交換器（図示せず）はまた、電気化学反応の副生成物である水蒸気を除去する。

コントローラー１０４は、電力システム１００の周辺をモニタリングするセンサー５４２と、電力システムを適宜制御するアクチュエータ（図示せず）とを含む。センサー５４２は、上記のセンサー１４２の一部に対応し得る。動作中、コントローラー５０４は、様々なセンサー測定値（例えば、周辺気温、燃料圧、燃料濃度、酸素濃度、燃料電池スタック電流、空気流量、電池電圧チェック状態、燃料電池スタック１０２の電圧を含むがこれらに限定されない）を受信する。コントローラー５０４は、制御信号を様々なバルブに提供し、電力システム１００の動作を制御する。

上記のように、電力は、電力システム１００から１つ以上のＢＯＰデバイス１０６（図１）負荷、システム負荷１１４および／または電源に出力される。燃料電池スタック１０２およびコントローラー５０４を含む電力システム１００の上記の実施形態は、概して例示的な実施形態を記載する。電力システム１００の他の実施形態は、本明細書において、簡潔さのために詳細には記載されない他の構成要素および／またはシステムを含み得る。このような様々なタイプの燃料電池システム１００は、本明細書に便宜的に記載するには多すぎ、簡潔さのために省略される。しかしながら、全てのこのような実施形態の電力システム１００は、本開示の範囲内に含まれるように意図される。

例示的な燃料電池スタック１０２のスタートアップは、燃料電池スタック１０２への燃料の流れを開始することによって開始される。例えば、メインバルブ５３０が開かれ、ブロワー５２２が動作され、それによりアノード５０８への燃料の流れを提供する。ある時点において、酸化体がアノード５０８に提供される。例えば、酸化体供給バルブ５３６が開かれ、コンプレッサ５３４が動作され、それによりカソード５１０への酸化体（または空気）の流れを提供する。カソード５１０における酸化体の供給およびアノード５０８における燃料の供給が、電気生成反応プロセスによって消費されるにつれ、燃料電池スタック１０２から供給される電力、電圧および／または電流は上記のように増加する。

例示的な燃料電池スタック１０２のシャットダウンは、燃料電池スタック１０２への燃料の流れを中止することによって開始される。例えば、酸化体供給バルブ５３６が閉じられ（シャットオフされ）、それによりカソード５１０への酸化体（または空気）の流れを中止する。カソード５１０における既存の酸化体の供給が、電気生成反応プロセスによって消費され（消耗され）るにつれ、燃料電池スタック１０２から供給される電力は上記のように減少する。従って、電力（および電流）は、酸化体の消耗に応答して低下する。酸化体消耗プロセスのある時点で、燃料電池スタック１０２は、もはやその電圧を維持することが不可能である。結果としてシャットダウンプロセスが完了する。

シャットダウンプロセスのある時点で、燃料電池スタック１０２への燃料の流れが中止され得る。例えば、メインガスバルブ５３０は閉じられ（シャットオフされ）、それによりアノード５０８への燃料の流れを中止する。

図６は電力システム１００（図１）を動作するプロセスの実施形態を描くフローチャート６００である。一部の代替の実施形態において、ブロックに示される機能は、図６の示される順序とは異なって起こり得、追加の機能を含み得、そして／または一部の機能を省略し得ることが注意されるべきである。例えば、図６において連続して示される２つのブロックは、以下でさらに明確にされるように、含まれる機能に依存して、実際には、実質的に同時に実行され得、ブロックは時々逆の順序で実行され得、またはブロックの一部が全ての例において実行されないことがある。全てのこのような修正形および変化形が、本明細書において、本開示の範囲内に含まれるように意図される。

プロセスはブロック６０２において開始する。少なくとも１つのＢＯＰデバイス１０６によって引き込まれた負荷は、ブロック６０４において、燃料電池スタック電圧よりも大きい電源電圧に応答して電源１０４から第一の量の電力を用いて供給される。少なくとも１つのＢＯＰデバイス１０６によって引き込まれた負荷は、ブロック６０６において、電源電圧よりも大きい燃料電池スタック電圧に応答して燃料電池スタック１０２から第二の量の電力を用いて供給される。プロセスはブロック６０８において終了する。

上記のように、燃料電池スタック１０２（図１）の電圧が電源１０４の電圧と実質的に等しいとき、少なくとも１つのＢＯＰデバイス１０６によって引き込まれた負荷の第一の部分は、第一の量の電力によって供給され、少なくとも１つのＢＯＰデバイス１０６によって引き込まれた負荷の第二の部分は、電源電圧に実質的に等しい燃料電池スタック電圧に応答して第二の量の電力によって供給される。システム負荷１１４の少なくとも一部は、ＢＯＰデバイス１０６によって引き込まれた付加を超える第二の量の電力に応答して、少なくとも１つの燃料電池スタック１０２に結合されたＤＣ／ＤＣコンバーター１１８を介して第二の量の電力によって供給される。

様々な実施形態において、任意の適切なタイプの燃料電池スタック１０２が使用され得る。適切な燃料電池スタック１０２の起こり得る形態は非常に多いので、本明細書に便宜的に記載できない。例えば、様々なタイプの燃料電池スタック１０２が、様々なタイプの反応体および酸化体を用いる。様々な酸化体のタイプの一例は、空気および実質的に純粋な酸素を含む。一部のタイプの燃料電池スタック１０２は、デッドエンドモードで動作し、他のタイプの燃料電池スタック１０２は、再循環反応体システム（図示せず）を用いて動作する。全てのこのような燃料電池スタックの実施形態が本開示の範囲内に含まれることが意図される。

同様に、様々な実施形態において、任意の適切なタイプのＤＣ／ＤＣコンバーター１１８が使用され得る。適切なＤＣ／ＤＣコンバーター１１８の起こり得る形態は非常に多いので、本明細書には便宜的に記載されない。全てのこのようなＤＣ／ＤＣコンバーターの実施形態が本開示の範囲内に含まれることが意図される。

上記される様々な実施形態がさらなる実施形態を提供するように組み合わせられ得る。本発明の局面は、必要に応じて、様々な特許のシステム、回路および概念を用いて、本発明のなおさらなる実施形態を提供するように修正され得る。

これらの変化および他の変化が、上記で詳述された記載に照らして、本発明のシステムおよび方法に対してなされ得る。一般的に、添付の特許請求の範囲において、使用される用語は、本明細書および特許請求の範囲に開示される特的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、特許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ないが、代わりに本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって全体が決定されるべきである。

Claims (21)

1. 電力システムであって、
   少なくとも１つのバランスオブプラント（ＢＯＰ）デバイスと、
   電源電圧において、第一の量の電力を提供するように動作可能な電源と、
   燃料電池スタック電圧において、第二の量の電力を提供するように動作可能な燃料電池スタックと、
   該電源と該少なくとも１つのＢＯＰデバイスとの間で電気的に結合され、該電源電圧が該燃料電池スタック電圧よりも大きい場合に、該電源から該少なくとも１つのＢＯＰデバイスまで、該第一の量の電力の一部分を移行するように動作可能な第一の電圧制御要素と、
   該燃料電池スタックと該少なくとも１つのＢＯＰデバイスとの間で電気的に結合され、該電源電圧よりも大きい該燃料電池スタック電圧に応答して、該燃料電池スタックから該少なくとも１つのＢＯＰデバイスまで、該第二の量の電力の一部分を移行するように動作可能な第二の電圧制御要素と
   を備えている、電力システム。
2. 前記電源と前記第一の電圧制御要素との間に結合され、ＤＣバス電圧において動作可能な第一の直流（ＤＣ）バスと、
   前記少なくとも１つのＢＯＰデバイスと前記第二の電圧制御要素との間に結合された第二のＤＣバスであって、該ＤＣバス電圧が前記燃料電池スタック電圧よりも大きい場合、該ＤＣバスにおいて動作可能であり、該燃料電池スタック電圧が該ＤＣバス電圧よりも大きい場合、該燃料電池スタック電圧において動作可能である、第二のＤＣバスと
   をさらに備えている、請求項１に記載の電力システム。
3. 前記電力システムは、前記第一のＤＣバスに結合される、請求項２に記載の電力システム。
4. 前記燃料電池スタックと前記第一のＤＣバスとの間に結合され、該燃料電池スタックによって生成された過剰な量の電力を移行するように動作可能である直流直流（ＤＣ／ＤＣ）コンバーターであって、該過剰な量の電力は、該燃料電池スタックによって生成された前記第二の量の電力と、前記少なくとも１つのＢＯＰデバイスに移行された該第二の量の電力のうちの一部との差に対応する、直流直流コンバーターをさらに備えている、請求項２に記載の電力システム。
5. 前記第一の電圧制御要素は、前記燃料電池スタックの正のＤＣ電圧端子に電気的に結合されたアノードを備え、前記少なくとも１つのＢＯＰデバイスに電気的に結合されたカソードを備えているダイオードを備えている、請求項１に記載の電力システム。
6. 前記第一の電圧制御要素に結合されたコントローラーであって、該第一の電圧制御要素が、前記燃料電池スタック電圧以上である前記電源電圧に応答して、前記電源から前記少なくとも１つのＢＯＰデバイスまで前記第一の量の電力の一部を移行するように、該第一の電圧制御要素に第一の制御信号を通信するように動作可能であり、そして、前記第二の電圧制御要素に制御可能に結合され、該第二の電圧制御要素が、該電源電圧以上である該燃料電池スタックに応答して、該燃料電池スタックから該少なくとも１つのＢＯＰデバイスまで前記第二の量の電力の一部を移行するように、該第二の電圧制御要素に第二の制御信号を通信するように動作可能である、コントローラーをさらに備えている、請求項１に記載の電力システム。
7. 前記第一の電圧制御要素は、前記燃料電池スタックの正のＤＣ電圧端子に電気的に結合されたドレインを備え、前記少なくとも１つのＢＯＰデバイスに電気的に結合されたソースを備え、前記コントローラーに電気的に結合されたゲートを備えている電界効果トランジスタを備えている、請求項６に記載の電力システム。
8. 前記第一の電圧制御要素は、前記燃料電池スタックの正のＤＣ電圧端子に電気的に結合された第一の端子と、前記少なくとも１つのＢＯＰデバイスに電気的に結合された第二の端子と、前記コントローラーに電気的に結合された第三の端子とを備えているスイッチを備えている、請求項６に記載の電力システム。
9. 前起電源はバッテリまたはウルトラキャパシタのうちの少なくとも１つを備えている請求項１に記載の電力システム。
10. 前記電源は、
    ＡＣ電力を生成するように動作可能な交流電流（ＡＣ）マシンと、
    該ＡＣマシンに電気的に結合され、該ＡＣマシンによって生成された該ＡＣ電力をＤＣ電力に変換するように動作可能な交流直流（ＡＣ／ＤＣ）コンバーターと
    を備えている、請求項１に記載の電力システム。
11. 電力システムであって、
    燃料電池スタック一次電源と、
    二次電源と、
    第一の直流バスと、
    該二次電源の電圧が該燃料電池スタック一次電源の電圧よりも大きい場合、該二次電源からの電力を該第一の直流バスに電気的に結合する第一の電圧制御要素と、
    該燃料電池スタック一次電源の電圧が該二次電源の電圧よりも大きい場合、該燃料電池スタック一次電源からの電力を該第一の直流バスに電気的に結合する第二の電圧制御要素と、
    該第一の直流バスに電気的に結合された少なくとも１つのバランスオブプラント負荷と
    を備えている、電力システム。
12. 前記二次電源は、バッテリ、スーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタのうちの少なくとも１つである、請求項１１に記載の電力システム。
13. 前記第一の電圧制御要素および前記第二の電圧制御要素のうちの少なくとも１つはダイオードである、請求項１１に記載の電力システム。
14. 前記第一の電圧制御要素および前記第二の電圧制御要素のうちの少なくとも１つはトランジスタである、請求項１１に記載の電力システム。
15. 前記第一の電圧制御要素および前記第二の電圧制御要素のうちの少なくとも１つはスイッチであり、該スイッチを動作するように制御可能に結合される少なくとも１つのコントローラーをさらに備えている、請求項１１に記載の電力システム。
16. 前記二次電源に電気的に結合された第二の直流バスをさらに備えている、請求項１１に記載の電力システム。
17. 前記燃料電池スタック一次電源と前記第二の直流バスとの間に結合され、該燃料電池スタック一次電源からの電圧を変更するように動作可能な直流直流コンバーターをさらに備えている、請求項１６に記載の電力システム。
18. 電力システムであって、
    第一の量の電力を提供するように動作可能な電源と、
    燃料電池スタック電圧において、第二の量の電力を提供するように動作可能な燃料電池スタックと、
    該電源から該第一の量の電力を受容するように動作可能であり、かつ該燃料電池スタックから該第二の量の電力を受容するように動作可能な少なくとも１つのバランスオブプラント（ＢＯＰ）デバイスと、
    該電源から少なくとも該第一の量の電力を受容するように動作可能であり、かつＤＣバス電圧において動作可能である一次直流（ＤＣ）バスと、
    該一次ＤＣバスと該少なくとも１つのＢＯＰデバイスとの間に電気的に結合された第一の電圧制御要素であって、該ＤＣバス電圧が該燃料電池スタック電圧よりも大きい場合に、該電源からの該第一の量の電力の少なくとも一部を該少なくとも１つのＢＯＰデバイスに移行するように動作可能である、第一の電圧制御要素と、
    該燃料電池スタックと該少なくとも１つのＢＯＰデバイスとの間に電気的に結合された第二の電圧制御要素であって、該ＤＣバス電圧よりも大きい該燃料電池スタック電圧に応答して、該燃料電池スタックからの該第二の量の電力の少なくとも一部を該少なくとも１つのＢＯＰデバイスに移行するように動作可能である、第二の電圧制御要素と
    を備えている、電力システム。
19. 前記少なくとも１つのＢＯＰデバイスと前記第二の電圧制御要素との間に結合された第二のＤＣバスであって、前記ＤＣバス電圧が前記燃料電池スタック電圧よりも大きい場合に該ＤＣバス電圧において動作可能であり、該燃料電池スタック電圧が該ＤＣバス電圧よりも大きい場合に該燃料電池スタック電圧において動作可能である、第二のＤＣバスをさらに備えている、請求項１８に記載の電力システム。
20. 前記電源は前記第一のＤＣバス電圧において動作可能である、請求項１８に記載の電力システム。
21. 前記燃料電池スタックと前記第一のＤＣバスとの間に電気的に結合され、該燃料電池スタックによって生成された過剰な量の電力を移行するように動作可能である、直流直流（ＤＣ／ＤＣ）コンバーターをさらに備え、該過剰な量の電力は、該燃料電池スタックによって生成された第二の量の電力と、前記少なくとも１つのＢＯＰデバイスに移行される該第二の量の電力の一部分との間の差に対応する、請求項１８に記載の電力システム。

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