JP2010537382A - フィードバックセンサーを有する燃料電池アッセンブリ - Google Patents

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Abstract

発明は、陽極ガス拡散層と陰極ガス拡散層の間に挿入配置された膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）と、前記陽極および陰極ガス拡散層（ＧＤＬ）にそれぞれ結合された第１および第２の電流コレクターを有するタイプの燃料電池のアッセンブリ（１０００）において使用可能な制御目的のためのセンサーセル（１０１０）に関する。センサーセル（１０１０）は好ましくは、負電流コレクター（１０５０）を面内燃料電池アッセンブリ（１０００）中の最後の燃料電池と共有するように結合されており、動作中のアッセンブリのステータスを示す電圧信号を提供するように、抵抗（１０７０）によって短絡される。

Description

本発明は、全般的に電気化学的電池に関し、特に、燃料フィードまたはパワー引き出しがセンサーセルによって制御される燃料電池に関する。
本発明が関係するタイプの燃料電池は、国際特許出願ＰＣＴ／ＳＥ２００７／０５０２２２およびＰＣＴ／ＳＥ２００５／００１５１４に開示されている。
このタイプの燃料電池は典型的には以下のデザイン特徴／機能からなる：
１）陽極ガス室を作り出すシーリング機能。これは、それにより膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を陽極電流コレクターフォイルに密封する接着剤を使うことによって達成される。
２）水素ガスを燃料電池装置中の異なるセルに分配するガス分配機能。これは、水素ガスのためのガスチャネルをもった支持板を形成することによって達成される。燃料電池は、接着剤および／またはクランプ手段によって支持板に取り付けられる。支持板からは、各セルの陽極ガス室に導かれている孔がある。
３）好ましくは最小の抵抗で、セルの活性エリアに渡って均一な電流密度が得られるようなやり方で、一つのセルから電流を集めそれを隣接するセルに分配する電気的相互接続機能。
４）クランプ特徴。燃料電池に締め付け力を課すことによって、セル内の内部抵抗を減少させる、即ち異なる材料間の接触抵抗および材料中の特定抵抗（例えば、ガス拡散層（ＧＤＬ）を圧縮することによって、そのファイバー間接続が向上する）。電気的接触と同様にして、熱伝導性もまた締め付けによって向上し、それによりより多くの熱が反応層（即ち、電極）から放散されることができる。クランプ特徴は、電気的相互接続機能と密接にリンクしている。
これら全ての特徴／機能が一緒に適用されて、燃料電池装置を形成する。
燃料電池アッセンブリ（燃料電池装置）の一般的な問題は、燃料フィードが常に最適（即ち、一定で燃料電池電力源によって電力供給されている装置の電力需要に対応している）ではなく、従って燃料電池装置への燃料フィード（水素ガスフロー）または燃料電池装置からのパワー引き出しのどちらかを制御する必要があることである。
多くの場合、燃料電池スタック性能は、スタック中の個々のセルまたはセルのグループの電圧を検出することによって監視される。典型的なスタックは一般的に３０〜２００の個々のセルからなる。個々のセルまたはセルのグループの電圧検出は高価であり、あらかじめ設定された電圧範囲外の電圧条件を検出して同定するのに、そして補正的アクションを取るか正常動作条件（即ち望ましいかまたは好ましい範囲内の条件）が回復できるまでスタックをシャットダウンするのに、複雑なデータ取得システムと制御アルゴリズムを要求する。電圧検出を使った燃料電池性能の監視への典型的なアプローチは、米国特許第５，１７０，１２４号に記載されている。この特許は、燃料電池スタック中のセルのグループの電圧を測定して参照電圧と比較する装置と方法を記載している。
もし測定された電圧と参照電圧が所定の値よりも大きく異なっていれば、シャットダウンシーケンスを実施するかまたは救済的アクションに着手するように警告信号またはプロセス制御手順を開始することができる。この電圧検出アプローチは制限外の条件の存在を同定はするものの、アプローチは制限外の条件の引き金を引いた問題の源および／または性質については的確ではない。
ＷＯ００／０２２８２（Ballard Power Systems）には、複数の燃料電池を含んだ電気化学的燃料電池スタックが記載されている。少なくとも一つの燃料電池はセンサーセルである。センサーセルは、複数の内の残りの燃料電池に対して少なくとも一つの構造的非類似性を有する。構造的非類似性は、例えば、削減されたセンサーセル電気化学的活性エリア、削減された電子触媒負荷、変形陽極または陰極フローフィールド、異なる電子触媒組成、または変形冷媒フローフィールド構成、を含み得る。センサーセルは、スタック中の残りのセルと実質的に同じ条件の下で動作する。しかしながら、特定のスタック動作条件の変化に応答して、残りの燃料電池中には同時には誘発されない、電気的また熱的応答、好ましくは電圧変化がセンサーセルに誘発される。よって、センサーセルは望ましくない条件を検出することができ、その応答は補正的アクションを開始するのに使うことができる。異なるタイプの条件に特定の、一つより多くのセンサーセルがスタック中に採用され得る。望ましくない条件が無いときには、センサーセルはパワー発生する燃料電池として機能することができる。
‘２８２特許出願によると、スタック中に組み込まれたセンサーセルはまた、有用なパワー生成するセルとしても働くことができる。よって、電力を発生するスタックの動作中に、センサーセルと残りのセルは電力を提供するように接続される。センサーセルからなる燃料電池スタックに跨って、可変の電気的負荷を掛けても良い。‘２８２特許出願によるセンサーセルはスタック中に直列に接続される。
本発明の目的は、一つまたはいくつかの面内燃料電池アッセンブリの燃料フィードがパワー引き出しにマッチする、またはその逆、となるような、向上された制御を提供することである。
この目的は、請求項１に規定された発明によって達成される。
よって、面内燃料電池アッセンブリの出口において別々のより小さな燃料電池を設けることによって、前記より小さなセルが消費されることなくアッセンブリを通過してきた燃料によって駆動され、それにより電気信号が生成されて、燃料サプライへのフィードバックを提供することができ、それにより燃料電池アッセンブリの燃料フィードまたは代替的にパワー引き出しを制御し、従って燃料消費の最適化を可能とする。よって、追加のセルはセンサーセルとして機能する。好ましくは、センサーセルは、面内燃料電池アッセンブリの最後の燃料電池と負電流コレクターを共有するように、電気的に結合されている。センサーセルを使用することによって、アッセンブリの機能不良の状態（即ち、水素の不足）を同定することが可能となる。
アッセンブリ中の最後のセルを制御目的で使用する代わりに、専用のより小さなセンサーセルを設けることの利点は、より小さなセンサーセルが、アッセンブリのより大きな最後のセルよりも、より均一なガス濃度（それはより均一な電気化学的ポテンシャルを生み出す）を持つことである。これは、デザインのより長いサービス寿命を提供する。更には、空気が、そこで腐食条件を引き起こすことができる最後のセルに同じように容易には侵入しない。また、センサーセルは、アッセンブリに供給されたガスが多すぎるか少なすぎるかについての情報を提供することができる。もし、アッセンブリ中の最後の通常のセルがセンサーとして使われれば、それは小さすぎるガス供給についての情報だけしか提供できない。最後に、センサーセルは、センサーセルが十分に大きいとして、全てのガスが消費されたことを確かめることができる。
上記に加えて、本発明のセンサーセルは製造するのが非常に安価である。
ここで発明が、添付の図面を参照して記載される。図面は概略的な描写に過ぎず、実寸比率で描かれてはいない。記載中の「上」または「下」への言及は、燃料電池は使用においてはいかなる向きをも持つことができることを念頭に置きながら、図における向きと解釈されるべきである。
図１は、従来技術の燃料電池装置を描く。 図２ａは、発明で使用可能な別の従来技術の燃料電池を描く。 図２ｂは、発明で使用可能な別の従来技術の燃料電池を描く。 図３は、更なる実施形態を概略的に描く。 図４ａは、燃料フィードに対して直列に接続され、制御目的のために発明に従ったセンサーセルを有する、複数セル装置のレイアウトを概略的に示す。 図４ｂは、燃料フィードに対して並列に接続され、制御目的のために発明に従ったセンサーセルを有する、複数セル装置のレイアウトを概略的に示す。 図５は、発明に従ったセンサーセルを組み込んだ４セルアッセンブリの概略的断面図である。 図６は、各々に発明に従ったセンサーセルが設けられた、４セルアッセンブリからなる「大きなシステム」を示す。 図７は、燃料電池アッセンブリと発明に従ったセンサーセルからなる、例えば携帯電話のための燃料電池電力源の断面図である。
図１は、従来技術の燃料電池装置の例を示す。それは、直列に相互接続された複数の燃料電池からなる（３セルが示されている）。スタックは支持板１１１上に設けられ、その上に全てのセルが載置されている。各セルは、陽極ＧＤＬ１０８と陰極ＧＤＬ１１０からなり、その間にＭＥＡ１０９が挿入配置されている。セル間の電気的相互接続は、一つのセルの陽極ＧＤＬ１０８と隣接するセルの陰極ＧＤＬ１１０に接続されており、よって一方の端において陽極電流コレクターとして機能し他方の端において陰極電流コレクターとして機能する、電流コレクターフォイル１０６’によって得られる。よって、フォイルは、支持板１１１上の（図中の中央の）一つのセルアッセンブリの底に設けられており、それはそのセルアッセンブリから外に伸び、（図中の左の）隣接するセルのＭＥＡ上に部分的によりかかるように更に伸び、隣接するセルの陰極ＧＤＬ１１０と接触して終わる。
各セルの上には、不活性な空気浸透性のクランプ部材１０４が設けられ、それは金メッキされた金属網または孔が開けられた鋼板であることができる。最後に、コンポーネントをきつく一体に保ち、内部抵抗を減少させるように、上板１１８がセルのアレイ全体の上に設けられる。
図１にはっきりと見られるように、電流コレクターフォイル１０５、１０６’、１０６”は少なくとも部分的にはＭＥＡ１０９と接触する。セルの動作中、この接触はＭＥＡとフォイルの間に起こる電気化学的反応を導くことができる。これらの反応は、事実フォイルの腐食を引き起こし、それによりイオンが放出され、イオンはそれ以降にＭＥＡを毒化して、それによりセルアッセンブリの短縮された実効的寿命を引き起こす。これは、水が形成される高電気化学的ポテンシャルをもつ陰極側について特に本当である。陽極側については、導電性接着剤が、腐食を阻害する保護層として働いている。
有害な腐食／毒化を排除するために、デザインにおける改良を提供することができる、即ち、一つのセルからの電流コレクターフォイルが、それが接続されているＭＥＡの陰極側と隣接するセルの陰極ＧＤＬと接触するようになることを防止するための措置が講じられる。
「クランプ手段」という表現は、燃料電池を圧縮し電流を燃料電池に均一に分配する、一つまたはいくつかのコンポーネントを含む。クランプ手段は、不活性で高導電性を示す空気浸透性コンポーネント、例えばガス浸透のための開口部を有する金メッキされたステンレス鋼網または金メッキされた板／フォイル、を有することができる。
この電流コレクターフォイルの配置によって、電流は隣接するセルの陰極に移転される。このデザインの利点は、導電性フォイルコンポーネント（導電性接着剤を含む）が陽極条件下で電気化学的に不活性である必要があるだけであることにある。これは、クランプ手段だけが、隣接するセルのＭＥＡの陰極側と陰極ＧＤＬと接触しているためである。
一般に、陽極ガス拡散層と陰極ガス拡散層の間に挿入配置された膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）と、前記陽極および陰極ガス拡散層（ＧＤＬ）にそれぞれ結合された第１および第２の電流コレクターを有するタイプの電気化学的電池を相互接続するための配置であって、電流コレクターが一つのセルの陽極側から隣接するセルの陰極側まで伸びている導電性フォイル、黒鉛構造等であることができ、セルコンポーネンツが一緒にクランプされているもの、を提供することができる。
好適には、絶縁エレメントが、第１のセルの陽極電流コレクターと第２の隣接するセルの陰極側の間に挿入配置され、電気的接続は前記不活性な導電性部材によって提供される。
ここで上記特徴を実施した燃料電池アッセンブリを、図２ａを参照して記載する。
直列に接続された２つのセル２００ａと２００ｂそれぞれが示されている。各々は、それぞれ陽極ＧＤＬ２０８ａと２０８ｂ、陰極ＧＤＬ２１０ａと２１０ｂ、ＭＥＡ２０９ａと２０９ｂ、不活性な導電性クランプエレメント２０４ａと２０４ｂからなる。
導電性フォイル２０６が（左の）第１のセル２００ａの陽極部分の下に設けられ、第２の隣接するセル２００ｂへの接続のために右へと伸びている。フォイルは、金属、黒鉛、または要求された通りに成形することができるあらゆる他の好適な材料で作られることができる。「導電性フォイル」という用語は、導電性接着剤をもつ銅テープ、または導電性接着剤をもつまたはもたない錫（Ｓｎ）被覆銅フォイルを包含するものと取られるべきである。それはまた、熱拡張された黒鉛から作られた黒鉛フォイル、カーボンファイバー布、カーボン紙材料、上に列挙した材料の組み合わせのような、ただしそれらに限定されない、薄い炭素ベースの材料であっても良い。それはまた、その構造的性能がセル中の環境によって設定される要求を満たす限り、あらゆる他の導電性フォイル材料であることもできる。
この実施形態では、絶縁スペーサー部材２０１が、陽極導電性フォイル２０６（図の左の、一つのセル２００ａの陽極側の下から伸びている）と隣接するセルのＭＥＡ２０９ｂの間に挿入配置されており、上板２１８が圧力下で位置に置かれたとき、隣接するセル２００ｂのクランプ手段コンポーネント２０４ｂ（例えば金メッキされた網）への電気的接続が確かなものとされ、同時にフォイル２０６が隣接するセル２００ｂのＭＥＡ２０９ｂから電気化学的に絶縁されていることが確かなものとされるようになっている。よって、第１の電流コレクター２０６は、スペーサー部材２０１に対して前記不活性な導電性部材２０４ｂによってクランプされたとき、前記スペーサー部材２０１の上面と接触する伸長された部分を有する。
この電気的接続の位置決めは、好ましくは凝縮水が電流コレクターフォイルとＭＥＡの間に電気化学的電池を形成することができないように選択されるべきである。そのような電気化学的電池は、腐食プロセスにおいて放出されたイオンのための通路として働くことができてしまう。
しかしながら、もし陽極フォイル２０６と隣接するセルの陰極の間の電気化学的電池の形成を避けることができるような他の対策が取られていれば、電気的接続の位置決めはより決定的に重要ではないであろう。例えば、スペーサー部材材料の表面を疎水化することまたは液体薄膜形成についての何らかの他のバリアを導入することによって、水はセル環境中の望ましくないスポットにそう容易には拡散しないであろう。
図２ｂに描かれた、別の実施形態では、セルの一つ（図中の右のもの）のクランプ手段コンポーネント２０４ｂ（例えば、金メッキされた網または黒鉛部材）は、隣接するセル（図中の左のもの）の電流コレクターフォイル２０６と接触するのに、それがセルアッセンブリから離れるように伸び、同じセルのＭＥＡと接触するようにはならないように、角度をつけて下向きに曲げられている。絶縁スペーサー部材２０１は、クランプ手段コンポーネント（即ち、網）上に置かれ、上板２１８によって押し下げられ、それにより網２０４ｂを電流コレクターフォイル２０６に電気的に接続する。
よって、この実施形態では、スペーサー部材の下面が、前記第１のセル２００ａの膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）の一部と接触し、不活性な導電性部材２０４ｂが、前記スペーサー部材２０１の下面と電流コレクター２０６の間にクランプされる。
ここで、不活性な導電性部材２０４ｂは、スペーサー部材２０１の底から上向きに、隣接するセル２００ｂの陰極ＧＤＬ２１０ｂと接触するまで伸びている。
クランプ手段コンポーネント２０４はまた、図２ｂに従って成形されたとき、クランプ手段コンポーネントのばね力が電気的接触を確かなものとするように、機械的一体性を有することもできる。
前記スペーサー部材２０１は、好ましくは圧縮可能なクッションであり、好ましくは燃料電池環境中で不活性である多孔性のプラスチック材料で作られているべきである。好ましくは、凝縮水の液体薄膜形成を避けることができるように、材料または材料の表面はまた疎水性であるべきである。スペーサー部材に好適な材料の例は、多孔性のテトラフルオロエテン（ＰＴＦＥ）または類似の疎水性材料、多孔性のシリコンゴムまたは別の圧縮可能で不活性なプラスチック材料である。もし材料がそれ自体疎水性でなければ、それは好ましくはＰＴＦＥのような疎水性材料で被覆されるべきである。
スペーサー部材２０１はまた非圧縮可能であることもできるが、これはクッションを正しく寸法決めすることおよび／またはコンポーネンツ２０８と２１０により圧縮可能なＧＤＬ材料が選択されることについてより高い要求を設定する。そのような場合には、それは非多孔性のＰＴＦＥまたはシリコンから作られることができる。
図３には、更なる実施形態が概略的に描かれている。燃料電池アッセンブリは、複数（２つ示されている）の燃料電池からなり、各々は、ＭＥＡ５０９で分離された陽極ＧＤＬ５０８と陰極ＧＤＬ５１０からなり、全てのエレメントは支持板上に設けられている。導電性フォイル５０６は、セルの陽極側を跨いでその一方の側まで伸び、更に上向きに折り畳まれて隣接するセルのスペーサーフレーム５２０の上に置かれ、クランプ部材５０４と接触している、スペーサー部材は、例えばＰｏｒｏｎ（登録商標）のフレーム５２０の形で設けられ、前記フレームは、ＭＥＡとフォイル５０６をクランプするように設けられている。
ここで本発明をより詳細に記載する。
よって、発明によると、センサーセルの導入によって、セル性能のための制御機能が提供される。この概念は、図４ａと４ｂに概略的に描かれており、ここで詳細に記載する。
よって、図４ａに示した複数セル９００ａ〜９００ｄの配置において、より小さなセンサーセル９０１がデザイン中に含まれる。セル９００ａ〜９００ｄと９０１は（図４ａに示すように）直列に接続しても良いし、（図４ｂに示すように）水素サプライに対して並列に接続されても良い。並列モードではアッセンブリ中の一つのセルの故障は検出されないかもしれないが、それは直列接続では可能であるので、直列接続が好ましい。しかし、複数センサー配置では、センサーセルは、水素燃料サプライ（燃料フィード）に対して直列と並列の両方で置かれることができる。
このセンサーセルの構築および製造は、原理的には他のセルのデザインに従うことができる。しかし、センサーセルは、面内燃料電池アッセンブリ中の最後の燃料電池と負電流コレクターを共有するように、電気的に接続されている。これは、陽極電流コレクターを最後の動作的セルまたはパワーセルから伸長し、支持板上で更に伸長し、その陽極ＧＤＬがそれと接触するように電流コレクター上にセンサーセルを置くことによって達成される。
直列ガス接続は、凝集水の滴を燃料電池アッセンブリから容易に取り除くことができ、前記滴がガスフローを止めてしまう危険が小さいという利点を有する。直列に接続された燃料フィードの不利な点は、燃料電池装置に渡る圧力勾配が最初と最後のセルの異なる性能を導き出し得ることである。
並列に接続された燃料フィードの不利な点は、小さな圧力勾配にとって凝集した滴をガスチャネルを通して押し出すことが困難であり得ることである。更には、もしセルのフローチャネルがブロックされると、水素ガスは他のチャネルを通して流れることができるので、このセル中の水素の不足はセンサーセルによって検出されない。
センサーセルの陽極と陰極は、抵抗Ｒを介してお互いに接続される。この抵抗の抵抗値は、好適な電流（例えば、１００ｍＡ）がセルを通して流れることができるように、特定の値に設定される。このセルの配置は、他のセルからの水素ガス出口９０２においてである。センサーセル９０１の目的は、全てのセル９００ａ〜９００ｄが十分な水素を提供されていることを示すことである。セットアップを通して適切な水素がある時には、センサーセルは、或る値よりも高い電圧を提供する。システム中の水素ガスが僅かしかないか全く無い時には、電圧は前記値より下に落ち、もし水素ガスが全く利用可能でなければ当然０Ｖまで落ちる。もし電圧が設定された限界を超えていれば、これは水素供給レートが高すぎることを示す。
センサーセルについての腐食の問題を避けるために、使用ポテンシャル（使用電圧）は高すぎなくしなければならない。センサーセルが抵抗の上で短絡されてしまった時には、使用電圧は０．１と０．４Ｖの間であるべきである。よって、無制限の水素供給におけるセル電圧が０．１と０．５Ｖの間、好ましくは０．１〜０．３Ｖとなるように抵抗はマッチされるべきである。
センサーセルの大きさは、以下の判断基準から選ばれることができる：１）規制における安定性。センサーセルが小さい程、それは負荷／ガスフローに変化があった時により敏感になる（より大きな電圧ジャンプ）。２）燃料経済性。センサーセルが大きい程、より多くの水素がセンサーセル中で燃焼される。センサーセルの大きさと抵抗の寸法決めの手順の例：１)望ましい化学量（例えば、５％過剰なガス）を選ぶ。対応する電流（例えば、名目電流が１Ａの４セルユニットについては、これは０．０５＊４＊１＝２００ｍＡ＝Ｉｒｅｇとなる。）を計算する。２）定常状態において０．３Ｖで約２＊Ｉｒｅｇ＝４００ｍＡを配送することができるセンサーセル活性エリアサイズを選ぶ。Gore ＭＥＡ(PRIMEA 5710)での本発明のデザインについては、センサーセルサイズはおよそ０．８ｃｍ２であるべきである。３）抵抗Ｒを、Ｒ＝０．１５Ｖ／Ｉｒｅｇ＝０．１５・０．２＝０．７５オームとなるように選ぶ。
一般に、Ｕｗｏｒｋの使用電圧を有するセンサーセルについて、抵抗は以下のような大きさである：
Ｒ＝Ｕｗｏｒｋ／Ｉｒｅｇ
ここで
Ｉｒｅｇ＝Ｅｇａｓ×Ｉｎｏｍ×Ｎ
であり、Ｅｇａｓはセンサーセルに供給された余剰ガス、ＩｒｅｇはＩｎｏｍの名目電流を有するＮ個のセルのアッセンブリにためのセンサーセルを通した電流である。
センサーセルによって消費される過剰なガスは、より大きな燃料電池アッセンブリについてはより少なくすることができる。好ましくは過剰なガスの端数は１〜５％であるべきである。
図５は、発明に従ったセンサーセル１０１０がアッセンブリの出口において設けられた全体的に１０００で示される燃料電池アッセンブリを概略的にだがより詳細に描いている。示されたアッセンブリ中のセルは、燃料フィード方向に対して直列に接続され、それは好ましい実施形態である。
センサーセル１０１０は原理的にはアッセンブリ中の動作効果セルと同じ構成、即ち、図５ｂを参照して記載されたものでここでは更に記載されないもの、を有する。
よって、センサーセルは、陽極ＧＤＬ１０２０、陰極ＧＤＬ１０３０、ＧＤＬを分離しているＭＥＡ１０４０、全てのエレメントはアッセンブリ中の他のパワー発生セルと同じ支持板１０４５上に設けられている、例えば導電性フォイルまたは黒鉛で作られたエレメントで、支持板上に設けられた電流コレクター１０５０、ＭＥＡ１０４０を支持板にクランプし、ＧＤＬ／ＭＥＡ／ＧＤＬスタックを密封するように、クランプ板１０６０の上に配置されたスペーサーフレーム１０５５、からなる。スペーサー部材は、それが圧力を掛けられたシステム中で使われている時に（即ち、セルの密封を助けるために）、センサーセルにとって特に重要である。電流コレクター１０５０は、センサーセルの陽極側に跨って伸びており、隣接するパワー発生セル、即ちアッセンブリ中の最後のセル、の負極に接続されるように伸びている。
センサーセルは、抵抗１０７０によって短絡される。この抵抗に跨る電圧は、連続的に測定され、アッセンブリ中の燃料消費を示す電圧信号を提供する。
よって、もし抵抗に跨る電圧が０に落ちれば、これは燃料電池アッセンブリが十分な燃料を提供されていないこと、よって燃料供給のレートを増加することができること、を示すものである。逆に、もし電圧が増加して設定された閾値に達すれば、これは、燃料供給が高すぎで、より低いレートに調節することができることを示す。これは、効率的な燃料制御を提供し、それによりセルアッセンブリの性能を最適化する。
センサーセルは、センサーセルから雰囲気空気へのオープン出口があるオープンエンドシステムに適用することができる。しかしながら、好ましくは、空気のセンサーセルへの逆拡散が速すぎないように、出口は細い毛管であるべきである。
使用中には、センサーセルからの電圧信号は２つの異なるやり方で利用されることができる。
燃料電池が働くために必要な水素ガスの量に応じて、複数燃料電池アレイに多かれ少なかれ水素ガスが供給されるように。電圧信号は水素源システム（水素発生器システム）に提供される。別の代替案は、信号を燃料電池ユニットのパワーエレクトロニクスに提供することである。この電圧信号は、燃料電池ユニットの出力パワーを設定するのに使われることができる。もし電圧信号が落ちれば、パワーは減少されられなければならない。この上述したパワーエレクトロニクスはよって、燃料電池ユニットからの出力パワーを制御する機能性を有する必要がある。
定義
−燃料電池アッセンブリ＝燃料電池装置＝複数燃料電池アレイ：一つまたはいくつかの直列に接続された燃料電池とセンサーセルを含む。
−燃料電池電力源：燃料カートリッジ／水素発生器、燃料電池、バルブ、パワーおよび制御エレクトロニクス、バッテリーおよび／またはスーパーコンデンサからなり得る。
−燃料電池スティッカー：ＭＥＡ，ＧＤＬ、電流コレクターフォイルおよびプラスチック材料からなる燃料電池アッセンブリ中の置き換え可能なコンポーネント。
−面内燃料電池アッセンブリ：個々のセルが、表面（平面かまたは曲げられているかまたはもつれを持ったものでさえも）上にお互いに隣り合って置かれる燃料電池装置。
−オープンエンド燃料電池装置：装置のガス出口において特定のバルブまたはガスフロー制約器の無い燃料電池装置。
−デッドエンド燃料電池装置：燃料電池の後にオン／オフバルブが置かれた燃料電池装置。
−抽気付きデッドエンド燃料電池装置：燃料電池の後に置かれたガスフロー制約器をもつ燃料電池装置。
オープンエンド燃料電池装置
燃料電池は、ガスフローを上下に変えることができる電子的に制御されたチョークバルブ（またはいくつかの並列に置かれたオン／オフバルブ）によって制御することができる。代替的に、例えば加水分解による水素のその場での作成の場合には、反応レートを制御することができる。もし後続の燃料電池がオープンエンドであれば、センサーセルは、電流引き出し（即ち、要求されたパワー引き出しに対応する）のために燃料フィードが正確であるようにバルブまたはリアクターへのフィードバックを与えることができる。
別のオプションは、燃料フィード（即ち、水素フロー）のいかなる特定の制御も行わずに燃料電池装置をオープンエンドで運用することである。これは、例えば減圧バルブとフロー制約器を介して燃料電池装置に接続された金属水素化物タンクを有している時または、反応レートの受動的制御を持った加水分解リアクターを有している時がそうである。このオプションのために、燃料電池のパワー引き出しは、燃料フィードに調節されなければならない。もし前記パワー引き出しが、外部的に必要とされるもの（例えば、燃料電池電力源によって動かされ／充電されている携帯電話によって）よりも大きければ、発生された余剰のパワーは燃料電池電力源の内部バッテリーを充電することができる。逆に、もし外部的なパワーの必要が燃料電池が供給できるものよりも高ければ（例えば、低水素フローにより）、バッテリーがパワーを付け足すことができる。
デッドエンド燃料電池装置
もし燃料電池装置が圧力ガスを供給されていれば（即ち、燃料フィードが、その最大フロー制限を超えないときには或る圧力に達するようにデザインされている）。このシステムでは、燃料電池装置のガス出口においてオン／オフバルブ（デッドエンドバルブ）がある。前記バルブは、燃料電池装置のスタートアップ中に、および非燃料ガス（例えば水蒸気とＮ２）の堆積により動いている時に、空気を取り除くために開かれるべきである。ガスフロー方向で燃料電池の後だがデッドエンドバルブの前にセンサーセルを置くことによって、センサーセルはいつ水素の濃度が許容可能なレベルに達したか、よってデッドエンドバルブを閉じることができるか、を決定するのにスタートアップ中に使われることができる。燃料電池を運用している時には、センサーセルは、いつ水素の濃度が低いものに減少し取り除きが要求されているか、を決定することができる。
抽気付きデッドエンド燃料電池装置
別のオプションは、小さな漏洩、抽気（これは単純なガスフロー狭窄であることができる）をもつデッドエンドバブル（実際にはあらゆるタイプのバルブ）を有することである。抽気をもつと、非燃料ガスの堆積を避けることができる。「抽気」デザインの別の利点は、センサーセルが、いつパワー引き出しが最大フロー制限がサポートすることのできるものよりも大きい（即ち、もし燃料消費が燃料源の供給できるものよりも大きい）か、を示すことができることであり、それはそうなると最後のパワー発生燃料電池中に真空が作り出され空気がガスフロー狭窄を通してセンサーセル中に吸い込まれるからである。
一つの有利なデザインは、抽気付きデッドエンドバルブが、閾値（典型的には１〜７ｐｓｉ；６．９ｋＰａ〜４８．３ｋＰａ）において開くように、圧力依存機能性を有する時である。もしこの種のバルブ（例えば閾値３Ｐ０／４）が、好適なガスフロー制約（例えば、名目パワーにおいて燃料電池アッセンブリに渡る圧力低下が入口圧力のそれ、
水素源の圧力、Ｐ０の３０〜６０％である）を提供するガスフローチャネルシステムをもった燃料電池装置に接続されれば、以下のスタートアップおよび運用アルゴリズムが続くことができる：
１）スタートアップ：水素ガスが燃料電池に接続された時に、圧力は３Ｐ０／４より上に増加し、バルブが開いて、燃料電池アッセンブリからの空気の取り除きにつながる。センサーセル電圧が高くなるとすぐに、燃料電池パワー引き出しが開始され、圧力がデッドエンドバルブにおいて３Ｐ０／４より下に減少することにつながり、それはよって再び閉じられる。
２）運用：燃料電池装置を運用する時には、センサーセル電圧は水素の不足によって低くなり得る。第一の対策は、燃料電池装置からのパワー引き出しを減少することである（もしパワー引き出しが、水素源の対応する最大フロー制限よりも高ければ）。もしセンサーセル電圧が十分に増加しなければ、第二の対策は、燃料電池装置からのパワー引き出しを瞬間的に停止することである。するとデッドエンドバルブにおける圧力は３Ｐ０／４より上に増加し、燃料電池装置は浄化される。
より大きなシステム
センサーセルはまた、複数ユニットシステムで使われることもできる。典型的にはこれらのシステムは、ガスフローと電流に対して並列に接続されたいくつかの燃料電池ユニット（各々３〜８セルの）からなり、各ユニットは一つのセンサーセルを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータもパワー制御エレクトロニクスも各燃料電池に接続されている。このタイプのシステムが図６に概略的に描かれている。
このシステムでは、ＤＣ／ＤＣコンバータが、電圧を燃料電池ユニットの使用電圧から出力電圧（Ｖｏｕｔ）に増加している。センサーセルからの信号を使うことにより、各パワー制御部は、異なる燃料電池ユニットにおいてフローが異なるかどうかに拘わらず、全ての水素ガスが消費されるように、出力パワーを制御する。
最後のセンサーセル（ＳＣ Ｅ）は、アラームとして、またもし水素が他のセンサーセルから逃げていればアフターバーナーとして、使われることができる。
センサーセルは、多数の異なる装置において制御目的のために実装されることができる。一つの例は、図７にその概略的描写が示されているように、例えば携帯電話のための充電器である。
よって、図７に示す携帯電話充電器は、プラスチック筐体７００、金属水素化物水素吸収缶（ＭＨタンク）７０５、ガスコネクター装置７１０、ガスフロー制約器（図示せず）、４つの面内燃料電池７２０ａ〜７２０ｄからなる燃料電池スティッカー７５０、センサーセル７２５、エレクトロニクス（特に図示せず）、バッテリー７３５、ＵＳＢ−Ａ雌コネクター（図示せず）からなる。ガスフロー制約器（図示せず）は、ガスフローを或るレベルに制約し、それは入口圧力と独立であってもなくても良い。燃料電池はまた、燃料電池スティッカー７５０に面した表面に彫られた水素ガス分配のためのチャネル７４７をもつ支持板７４５、４つのセルの燃料電池スティッカー、金メッキされた孔開き鋼板で作られたクランプ手段７５５からなる。センサーセル７２５のために、最後のセル（ガスフロー方向）の負電流コレクターフォイルがセンサーセルの負電極として使われるように、支持板７４５と燃料電池スティッカー７５０は伸ばされている。エレクトロニクスは、バッテリーを充電するために好適な電圧に達する第一のＤＣ／ＤＣコンバータと、ＵＳＢコネクターの所要の５Ｖに達する第二のＤＣ／ＤＣコンバータからなる。エレクトロニクスはまた、センサーセル７２５と個々のセルの電圧を監視し、それはまた、燃料電池とバッテリーの温度レベルも監視する。エレクトロニクスは、第一のＤＣ／ＤＣコンバータからの出力電圧を規制することによって燃料電池からのパワーを制御する。バッテリーはリチウムイオンバッテリーである。
センサーセルの寸法と活性エリアは、２．１×０．４ｃｍ＝０．８４ｃｍ２である。センサーセルは、１オームの抵抗の上で短絡される。
ここで、以下の非限定的例によって、発明が更に描写される。
例１（センサーセル）
この例は、例２に記載される４セル燃料電池ユニットの終りにおける水素廃棄物からの水素が供給された追加の燃料電池（センサーセル）の使用によりガスフローまたは電流レベルのどちらかを制御する時に得られる結果を記載する。
センサーセルは、同一のＭＥＡとＧＤＬを使って、面内セルアッセンブリにおける他の４つのセルと同じやり方で作られた。しかしながら、このセルは、１ｃｍ２の総活性エリアをもつ他の４つのセルよりも小さな寸法のものであった。それも例２に記載されるように、それは金網を使った同じクランプ技術をなしていた。
このセルは、他の４つのセルに電気的に接続はされず、１オームの既知の抵抗値をもつ抵抗の上で短絡されており、よって抵抗上の電圧はセンサーセルを通して流れる電流に直接比例していた。ＰＩＤコントローラを使って、抵抗上の電圧を連続的に制御することにより、燃料電池ユニットを通した電流または水素ガスフローのどちらかを変化させることによって、この第五のセルはここで、引き出された電流による水素消費をサポートするのに十分な水素が常時燃料電池ユニットを通して供給されることを確かなものとすることを可能にする。
ここで、上述したような追加のセンサーセルをもった、例２に記載されるような４セルユニットについて、０．２Ａから１Ａまで５ステップで電流を増加させる時の結果が示される。ＰＩＤコントローラは、ガスフローを変化させることによって、第五のセル上の電圧レベルを０．２Ｖに保持するようにプログラムされた。見られるように、この制御戦略は電流の傾斜に滑らかに従うことを可能とする。
時間／秒 電流／Ａ Ｈ２フロー／ｍｌ分−１
5 0.200 6.074
10 0.213 6.813
15 0.227 6.561
20 0.240 6.963
25 0.253 7.454
30 0.267 7.962
35 0.280 8.463
40 0.293 8.389
45 0.307 9.515
50 0.320 9.538
55 0.333 9.996
60 0.347 10.486
65 0.360 10.417
70 0.373 10.926
75 0.387 11.330
80 0.400 11.350
85 0.413 11.679
90 0.427 12.156
95 0.440 12.648
100 0.453 12.810
105 0.467 13.139
110 0.480 13.605
115 0.493 13.741
120 0.507 14.862
125 0.520 14.899
130 0.533 15.050
135 0.547 15.925
140 0.560 15.903
145 0.573 16.896
150 0.587 16.621
155 0.600 16.347
160 0.613 17.037
165 0.627 17.852
170 0.640 17.516
175 0.653 18.548
180 0.667 18.966
185 0.680 18.963
190 0.693 19.473
195 0.707 20.206
200 0.720 19.462
205 0.733 20.485
210 0.747 20.925
215 0.760 20.827
220 0.773 21.367
225 0.787 22.716
230 0.800 23.174
235 0.800 22.558
240 0.800 22.732
245 0.800 22.667
250 0.800 22.072
255 0.800 23.040
260 0.800 22.584
265 0.800 22.827
270 0.800 22.453
275 0.800 22.381
280 0.800 22.445
285 0.800 23.045
290 0.800 22.600
295 0.800 22.772
300 0.800 22.975
代わりに、１Ａの燃料電池ユニットを通した最大許容電流レベルで、電流レベルを変化させることによって第五のセル上の電圧レベルを０．２Ｖに保持するようにＰＩＤコントローラをプログラムすることにより、同じ燃料電池ユニットがガスフローの変化に晒された時（ここではバルブによって手動で制御される）、以下の結果を得る。
時間／秒 電流／Ａ ガスフロー設定
5 0.000 ゼロガスフロー
10 0.000
15 0.000
20 0.309 ガスフローを非常に高い値＞セル当り１０ｍｌ／分まで増加
25 0.496
30 0.690
35 0.929
40 0.997
45 0.987
50 0.957
55 1.000
60 0.913
65 0.017 ガスフローをほぼセル当り５ｍｌ／分まで僅かに下げる
70 0.435
75 0.579
80 0.794
85 0.690
90 0.674
95 0.670
100 0.686
105 0.713
110 0.661
115 0.668
120 0.709
125 0.713
130 0.210 ガスフローをほぼセル当り２ｍｌ／分まで更に下げる
135 0.237
140 0.234
145 0.236
150 0.221
155 0.249
160 0.189
165 0.222
170 0.228
175 0.229
180 0.172
185 0.000 ガスフローを再びゼロに設定
190 0.000
195 0.000
例２（センサーセルからなる充電器）
これは、この特許出願で先に記載された燃料電池とセンサーセルを使った、携帯電話充電器または汎用電気提供装置を記載する例である。
充電器は、プラスチック筐体、金属水素化物水素吸収缶（ＭＨタンク）、ガスコネクター装置、ガスフロー制約器、燃料電池、センサーセル、エレクトロニクス、バッテリー、ＵＳＢ−Ａコネクター（雌）からなる。ガスフロー制約器は、ガスフローを或るレベルに制約し、それは入口圧力と独立であってもなくても良い。燃料電池は、燃料電池スティッカーに面した表面に彫られた水素ガス分配のためのチャネルをもつ支持板、４つのセルの燃料電池スティッカー、金メッキされた孔開き鋼板で作られたクランプ手段からなる。センサーセルのために、最後のセル（ガスフロー方向）の負電流コレクターフォイルがセンサーセルの負電極として使われるように、支持板と燃料電池スティッカーは伸ばされている。エレクトロニクスは、バッテリーを充電するために好適な電圧に達する第一のＤＣ／ＤＣコンバータと、ＵＳＢコネクターの所要の５Ｖに達する第二のＤＣ／ＤＣコンバータからなる。エレクトロニクスはまた、センサーセルと個々のセルの電圧を監視し、それはまた、燃料電池とバッテリーの温度レベルも監視する。エレクトロニクスは、第一のＤＣ／ＤＣコンバータからの出力電圧を規制することによって燃料電池からのパワーを制御する。バッテリーはリチウムイオンバッテリーである。
充電器のパワー出力は、１〜３Ｗである。燃料電池のパワーは、水素ガスフローと燃料電池の性能に依存して０．５〜２．５Ｗである。これはよって、動かされ／充電されている装置のパワー要求を燃料電池が満たすことができない時にバッテリーがパワーを付け足す、ハイブリッドシステムである。代替的に、燃料電池のパワーが動かされ／充電されている装置のそれを超えるときには、バッテリーはその余剰エネルギーを蓄積することが可能である。
金属水素化物水素（ＭＨ）吸収缶の圧力と、ガスコネクター装置の減圧バルブと、ガスフロー制約器に依存するガスフローは、１５と３５ｍｌ／分の間である。よって、燃料電池への水素ガスのフローは、変化させられず、圧力レベルとフロー制約器によって設定される。センサーセルの寸法と活性エリアは、２．１×０．４ｃｍ＝０．８４ｃｍ２である。センサーセルは、１オームの抵抗の上で短絡される。
燃料電池を動作させる（定常動作）
センサーセルの電圧は常に０．２Ｖであるべきである（燃料電池を運用している時）。もし電圧が０．２Ｖより低ければ、これは水素の不足を示し、よって制御エレクトロニクスが第一のＤＣ／ＤＣコンバータからの電圧を減少させ、リチウムイオンバッテリーおよび／または第二のＤＣ／ＤＣコンバータにより少ない電流が充電される。もし電圧が０．２Ｖよりも高ければ、反対のメカニズムが行われる。電子制御はＰＶＭ規制を使用している。
スタートアップ
システムをスタートアップする時には、燃料電池のセルは、セル当り１秒の期間の間レ族的に個別に短絡される。各短絡化の間に、センサーセルの電圧がテストされる。この手順は、定常動作を開始する前にセルを始動することが意図されている。
シャットダウン
エラー表示の起こった場合には、電気機械的メカニズムによってＭＨタンクがガスコネクター装置から切断され、光ダイオードは、充電器がシャットダウン手順に入っていることを示している。そのようなエラー表示は、１）一つの特定のセルの低い電圧（即ち、０．３Ｖより下）、２）センサーセルの低すぎる電圧（即ち、０．１Ｖより下）、３）燃料電池から来る高すぎる電流（即ち、１．５Ａを超えている）、４）燃料電池における高すぎる温度（即ち、５０℃よりも高い）、５）バッテリーにおける高すぎるか低すぎる温度（即ち、５℃より下か４５℃より上）、６）バッテリーにおける高すぎるか低すぎる電圧（即ち３．６Ｖより下か３．９Ｖより上）、であることができる。
このエラー表示はまた、ＭＨタンクが意図的に取り出された時にも起こる。シャットダウン中に、燃料電池の最初のセルは０．２秒間短絡され、それから０．２秒間待つ。この手順は、最初のセルの電圧が０．８Ｖよりも少なくなるまで繰り返される。

Claims (24)

  1. 少なくとも一つのパワー発生する燃料電池とセンサーセルを含む燃料電池アッセンブリであって、
    前記センサーセルは、アッセンブリ中の他のセルと同じ一般的構成を有し、即ち陽極ＧＤＬと、陰極ＧＤＬと、前記ＧＤＬの間に挿入配置され、その燃料を他のセルからのガス出口中の残留燃料から受け取るように他のセルからの水素ガス出口に位置するＭＥＡとを含み、センサーセルの陽極と陰極は抵抗（Ｒ）を介してお互いに接続されている、燃料電池アッセンブリ。
  2. センサーセルは、負電流コレクターを面内燃料電池アッセンブリ中の最後の燃料電池と共有するように結合されている、請求項１記載の燃料電池アッセンブリ。
  3. アッセンブリ中のセルは、面内構成に配置されている、請求項１記載の燃料電池アッセンブリ。
  4. 前記センサーセルは、アッセンブリ中の動作的セルよりも小さい、請求項１または２記載の燃料電池アッセンブリ。
  5. 圧縮ガス源と、燃料電池装置のガス出口におけるデッドエンドバルブとを含み、前記センサーセルは、ガスフロー方向で燃料電池の後だがデッドエンドバルブの前に置かれる、先行する請求項のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
  6. デッドエンドバルブは、非燃料ガスの堆積を避けるように小さな漏洩を有する、請求項５記載の燃料電池アッセンブリ。
  7. センサーセルは、水素源の最大フロー限界がサポートできるものよりもパワー引き出しが大きいのがいつかを示すことが可能である、請求項６記載の燃料電池アッセンブリ。
  8. 小さな漏洩を有するデッドエンドバルブは、好ましくは１〜７ｐｓｉ（６．９ｋＰａ〜４８．３ｋＰａ）にある閾値においてそれが開くように圧力依存機能性を有する、請求項５、６または７記載の燃料電池アッセンブリ。
  9. 動作可能／動作的パワー燃料電池と同じ構成を有するセンサー燃料電池であって、
    陽極／陰極に跨って結合された抵抗（Ｒ）と、
    動作的燃料電池からの出口に接続可能な燃料入口と、
    制御部に接続可能な、前記制御部に電圧信号を提供するための端末であって、前記電圧は、前記センサーセルがそれに接続可能であるところの燃料電池アッセンブリの動作を制御するために使用可能である、センサー燃料電池。
  10. 燃料電池アッセンブリへのガスフィードの１〜５％を消費するように適応された、請求項９記載のセンサー燃料電池。
  11. 抵抗が、Ｕｗｏｒｋの使用電圧を有するセンサーセルについて、以下のような大きさであり：
    Ｒ＝Ｕｗｏｒｋ／Ｉｒｅｇ
    ここで
    Ｉｒｅｇ＝Ｅｇａｓ×Ｉｎｏｍ×Ｎ
    であり、Ｅｇａｓはセンサーセルに供給された余剰ガス、Ｉｒｅｇは、Ｉｎｏｍの名目電流を有するＮ個のセルのアッセンブリのためのセンサーセルを通した電流である、請求項９または１０記載のセンサー燃料電池。
  12. 抵抗は、０．５〜２オーム、好ましくは０．７５から１．２５オームの抵抗値を有する、請求項９〜１１のいずれかに記載のセンサー燃料電池。
  13. 動作的セルよりも小さい、請求項９〜１２のいずれかに記載のセンサー燃料電池。
  14. 請求項１に記載の燃料電池アッセンブリを含む電気的装置。
  15. センサーセルの電圧に応じてアッセンブリへの水素の供給またはアッセンブリからのパワー引き出しを規制するように適応された制御部を更に含む、請求項１４記載の電気的装置。
  16. 電子機器の電力源である、請求項１４または１５記載の電気的装置。
  17. 電力によって動作するユニットと、充電可能なバッテリを含み、請求項１５記載の装置を接続する手段を含む装置。
  18. 複数の燃料電池ユニットであって、各ユニットは好適にはガスフローと電流に対して並列に接続された３〜８個のセルを含み、各ユニットは一つのセンサーセルを有し、オプションで各燃料電池ユニットとパワー制御エレクトロニクスに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータを更に含む、請求項１７記載の装置。
  19. 各センサーセルからの信号は、異なる燃料電池ユニットにおいてフローが異なるかどうかに拘わらず、全ての水素ガスが消費されるように、各パワー制御部によって出力パワーを制御するのに使われる、請求項１８記載の装置。
  20. 請求項１記載の燃料電池アッセンブリを動作させる方法であって、
    水素ガスを燃料電池に供給することと、
    センサーセルの電圧を監視することと、
    動作中に、センサーセルの電圧を連続的に監視することと、
    センサーセルの電圧が所定の値からずれた時に、アッセンブリの性能を調節する制御機能を行うことと、
    を含む方法。
  21. スタートアップにおいて、アッセンブリ中のセルを所定の時間連続的に個別に短絡させることと、
    各短絡させることの間に、センサーセルをテストすることと、
    全てのセルが短絡させられた時に、燃料の連続的な供給を提供することと、
    を更に含む請求項２０記載の方法。
  22. 制御機能は燃料フィードを調節することを含む、請求項２０記載の方法。
  23. 制御機能は、燃料電池アッセンブリからのパワー引き出しを調節することを含む、請求項２０記載の方法。
  24. もし動作中にセンサー電圧が低下すれば、
    ａ）燃料電池アッセンブリからのパワー引き出しを減少させることと、もし電圧が十分に増加しなければ、
    ｂ）パワー引き出しを瞬間的に停止すること、
    を行うことを更に含む請求項２０記載の方法。
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