JP2023536522A - 燃料電池、燃料電池を備えるシステム、及び、該システムを制御するための方法 - Google Patents

Abstract

燃料電池１は、膜・電極アセンブリのスタック１０と、入口端板１２及び出口端板１１と、前記スタック１２と出口端板１１との間に配置された、前記スタック１０のｎ＋１枚のサブスタック１０１、１０２、１０３を形成する、１以上のｎ枚の中間板１３と、前記入口端板１２、前記出口端板１１及びｎ枚の中間板１３内を通る、伝熱流体、酸化剤及び燃料を循環させるダクトと、前記出口端板１１の、循環ダクト内の伝熱流体を制御する弁と、前記ｎ枚の中間板１３の、循環ダクト内の酸化剤及び燃料を制御する弁とを備え、前記制御弁は、スタック１０の１以上かつｎ以下のｍ枚のスタック１０１、１０２、１０３において、前記伝熱流体、前記酸化剤及び前記燃料を循環させるように構成されている。燃料電池を有するシステム及び該システムを制御するための方法。【選択図】図６

Description

本開示は、燃料電池、特にプロトン交換膜燃料電池を加熱するシステムを有する燃料電池に関する。

燃料電池は、一般に、２つの集電体の間に配置されている、スタックとも呼ばれる、基本セルのスタックを備える。各基本セルは、陽極電極と陰極電極の間に配置されたプロトン交換膜で形成される、膜・電極アセンブリで構成されている。膜・電極アセンブリは、それ自体、双極板とも呼ばれる２つの分配板の間に配置されている。基本セルの積み重ねの間、２つの膜・電極アセンブリの間に配置された分配板は、それらの面の一方で水素を循環させ、反対側の面で空気を循環させることを可能にする。

各燃料電池は、燃料電池を形成する様々な構成要素の性質に依存する最適な作動温度を有する。また、燃料電池の最大寿命だけでなく、最適な作動を保証するために、燃料電池を、スタック内で均質にこの最適温度に近い温度及び最適温度に維持できるようにすることが推奨される。

しかし、その作動中に、各基本燃料電池内で起こる電気化学反応は発熱反応であるため、燃料電池の温度を最適作動温度に近い温度に維持したい場合には、燃料電池を冷却することが有利である。

公知の方法では、燃料電池を冷却するための装置は、燃料電池の空間要求を増しかつエネルギを消費する、冷却剤循環ポンプを備える。

さらに、電気化学反応を開始させて燃料電池のエネルギ効率を迅速に最大化するために、燃料電池のスタックは、ＰＥＭＦＣ ＨＴと呼ばれる、特にプロトン交換膜燃料電池高温の場合に、一般に周囲温度よりも高い又は１００℃（摂氏）よりもさらに高い、燃料電池の最適作動温度に予熱される。この予熱は、電池によって給電される電気抵抗によって行うことができる。

従って、加熱装置によって予熱機能を実行し、加熱装置とは別の冷却装置によって冷却機能を実行することが知られていることが理解される。これら２つの装置は、燃料電池内に配置されている。このような構成によって燃料電池の温度を調節することが可能となるが、それは、特に、燃料電池の質量及び空間要求の著しい増加を意味する。更に、加熱装置によって、質量が約６０kg (キログラム）であり得る電池を必要とし得る。

本開示は、少なくとも部分的にこれらの欠点を克服することを目的とする。

このため、本開示は、燃料電池であって、燃料電池は、
陽極と陰極との間に配置されたイオン伝導性電解質を有する、膜・電極アセンブリのスタックであって、隣接する２つのアセンブリは双極板によって分離されており、前記スタックは第１端部及び第２端部を有する、膜・電極アセンブリのスタックと、
前記スタックの第１端部に配置された入口端板と、前記スタックの第２端部に配置された出口端板と、
前記入口端板と前記出口端板との間に配置された、ｎ枚の中間板であって、前記スタックのｎ＋１枚のサブスタックを形成し、ｎが１以上であり、ｎ枚の中間板と、
前記燃料電池内で伝熱流体と酸化剤と燃料を循環させる複数のダクトであって、これら循環ダクトは前記入口端板と前記出口端板と前記ｎ枚の中間板とを通る、複数ダクトと、
出口端板の、複数の循環ダクト内の伝熱流体を制御するための弁と、ｎ枚の中間板の、複数の循環ダクト内で伝熱流体、酸化剤及び燃料を制御するための弁とを備え、これら制御弁は、前記スタックのｍ枚のサブスタック内で伝熱流体、酸化剤及び燃料の循環を可能にするように構成されており、ｍは１以上かつｎ以下である、燃料電池に関する。

「燃料電池の端板（end plate of the fuel cell）」とは、スタックの機械的クランプを可能にしかつ燃料電池の液体インターフェイスを有する、板を意味する。

循環回路は、さらに、双極板内を通ることが理解される。

ｎ枚の中間板によって、ｎ＋１枚のサブスタックを形成することができ、したがって、燃料電池のスタック全体を予熱するのではなく、１以上かつｎ以下であるｍ枚のサブスタックを予熱することができる。そして、ｍ枚のサブスタックが燃料電池の作動温度にあるとき、ｍ枚のサブスタック内で電気エネルギを生成し、このエネルギを他のサブスタックの予熱に使用することができる。また、スタック全体を予熱するのに必要なエネルギは、中間板を欠いた燃料電池と比較して減少する。

燃料電池によって提供される電力が比較的低いアイドルモードで燃料電池を作動させることも可能であり、ｍ枚のサブスタックによって提供されるエネルギは、例えば、燃料電池を有するシステムの補助構成要素に給電するために、かつ／又は、システムの電池を充電するために、かつ／又は、エネルギを低電力消費機器に供給するために使用される。

したがって、アイドルモードでは、完全なスタックを停止する必要はない。これにより、必要なときに迅速に電力を再供給できる。実際、アイドルモードでは、スタックの一部が燃料電池の作動温度に維持され、燃料電池が停止されてそれゆえ冷却されたときよりも迅速に燃料電池は最大電力を提供することができる。

いくつかの実施形態では、燃料電池の予熱のため及び燃料電池の冷却のために伝熱流体を循環させるためのダクトを組み合わせることができる。

燃料電池を予熱する段階で燃料電池を予熱するためと、燃料電池においてエネルギを生成する段階で燃料電池を冷却するために、同じ伝熱流体を使用することが可能であることが理解される。

予熱段階とエネルギ生成段階の間で伝熱流体を循環させるために別々のダクトを設ける必要はないことが理解される。

いくつかの実施形態では、イオン伝導性電解質はプロトン交換膜としうる。

いくつかの実施形態では、プロトン交換膜は、高温プロトン交換膜としうる。

いくつかの実施形態では、ｎ枚の中間板の内の少なくとも１つを制御するための弁は、中間板の外部にあってもよい。

いくつかの実施形態では、これら制御弁の内の少なくとも１つに逆止弁を設けることができる。

また、本開示は、先に規定した燃料電池と、伝熱流体を循環させるための回路と、燃料を循環させるための回路と、酸化剤を循環させるための回路と、エネルギを貯蔵する装置を有する電気回路とを有するシステムに関する。

いくつかの実施形態では、エネルギ貯蔵装置は、電池、スーパーキャパシタ（supercapacitor）、又は、エネルギを貯蔵するための任意の他の装置を有しうる。

いくつかの実施形態では、伝熱流体循環回路は、伝熱流体を冷却するように構成された熱交換器と、伝熱流体を加熱するように構成された熱交換器とを有しうる。

本開示は、また、上記に規定されるシステムを制御するための方法であって、前記方法は、
燃料電池のスタックのｍ枚のサブスタックを予熱するステップと、
ｍ枚のサブスタックが作動温度にあるとき、ｍ枚のサブスタックにおいてエネルギを生成するステップとを有する、方法に関する。

いくつかの実施形態では、この方法は、
前記燃料電池のスタックのｐ枚のサブスタックを、少なくとも部分的に、ｍ枚のサブスタックによって生成された加熱によって予熱するステップであって、前記ｐ枚のサブスタックは前記ｍ枚のサブスタックから分離されており、ｐは１以上でありかつｍ＋ｐはｎ＋１以下である、ステップと、
ｐ枚のサブスタックが作用温度にあるとき、ｍ＋ｐ枚のサブスタックにおいてエネルギを生成するステップと有しうる。

いくつかの実施形態では、ｍ枚のサブスタックによって生成されたエネルギは、エネルギ蓄積装置に蓄積することができ、かつ／又は、システムの補助構成要素に給電するために、かつ／又は、システム（６００）の外部の構成要素に給電するために使用することができる。

本開示の目的の他の特性及び利点は、添付の図を参照して、非限定的な実施例として与えられる、実施形態の以下の説明から明らかになる。

図１は、複数の膜・電極アセンブリの模式図であり、隣接する２つのアセンブリは、双極板によって分離されている。 図２は、従来技術の燃料電池の模式図である。 図３は、本開示による燃料電池の模式図である。 図４は、本開示による別の燃料電池の模式図である。 図５は、本開示による例示的なシステムの模式図である。 図６は、図３の燃料電池における伝熱流体の循環の例の模式図である。 図７は、図３の燃料電池における燃料の循環の例の模式図である。 図８は、図３の燃料電池における酸化剤の循環の例の模式図である。 図９は、図５のシステムを制御するための方法のステップを表すフローチャートである。

全ての図において、共通する要素は同一の参照番号によって識別される。

以下では、異なる実施形態に共通する要素は、同一の参照番号によって識別される。

図１は、複数の膜・電極アセンブリ１５０～１５４の模式図であり、隣接する２つのアセンブリ１５０～１５４は、双極板１５６によって分離されている。各アセンブリ１５０～１５４は、陽極１５２と陰極１５４との間に配置されたイオン伝導性電解質１５０を有する。矢印Ｘは、スタック１０内の流体の循環方向を表す。

非限定的な例として、イオン伝導性電解質１５０は、プロトン交換膜、例えば、高温プロトン交換膜としうる。

図２は、従来技術の燃料電池１Ａの模式図を示す。

図２の燃料電池１Ａは、膜・電極アセンブリ１０のスタックと、第１端部及び第２端部とを有する。図２の燃料電池１Ａは、スタック１０の第１端部に配置された入口端板１２と、スタック１０の第２端部に配置された出口端板１１とを備えている。矢印Ｘは、燃料電池１Ａ内の流体の循環方向を表す。

図３及び図４は、本開示による燃料電池１の模式図である。

図３及び図４の燃料電池１は、膜・電極アセンブリ１０のスタックと、第１端部及び第２端部とを有する。図３の燃料電池１は、スタック１０の第１端部に配置された入口端板１２と、スタック１０の第２端部に配置された出口端板１１とを備えている。このスタック１０は、入口端板１２と出口端板１１との間に形成されている。矢印Ｘは、燃料電池１内の流体の循環方向を表す。

図３の実施形態において、燃料電池１は、ｎが１に等しい、中間板１３を有する。中間板１３は、入口端板１２と出口端板１１との間のスタック１０に配置されており、２つのサブスタック１０１、１０２（ｎ＋１）を形成している。

図４の実施形態において、燃料電池１は、２枚の中間板１３を有し、ｎは２に等しい。２枚の中間板１３は、入口端板１２と出口端板１１との間でスタック１０内に配置され、３枚のサブスタック１０１、１０２、１０３（ｎ＋１）を形成している。

本開示は、１枚又は２枚の中間板１３を有するスタック１０に限定されないことが理解される。スタックは、スタック１０のｎ＋１枚のサブスタックを形成する、ｎ枚の中間板１３を有しうる。

図６～図８は、図３の燃料電池１内の伝熱流体、燃料及び酸化剤の循環のそれぞれの模式図である。

図６は、入口端板１２、出口端板１１及び中間板１３を通る伝熱流体循環ダクト２４Ａ～２４Ｄ、１１３の模式図である。燃料電池１は、出口端板１１の循環ダクト内の伝熱流体を制御する弁１１１、１１２と、中間板１３の循環ダクト内の伝熱流体を制御する弁１３１、１３２とを備えている。ダクト１１３は、制御弁１１１、１１２を接続する出口端板１１内にある。制御弁１３１は、第１のサブスタック１０１のダクト２４Ａと第２のサブスタック１０２のダクト２４Ｃとの間に配置されている。制御弁１３２は、第１のサブスタック１０１のダクト２４Ｂと第２のサブスタック１０２のダクト２４Ｄとの間に配置されている。制御弁１１２は、第２のサブスタック１０２のダクト２４Ｃと出口端板１１のダクト１１３との間に配置されている。制御弁１１１は、第２のサブスタック１０２のダクト２４Ｄと出口端板１１のダクト１１３との間に配置されている。

図６の実施形態において、伝熱流体循環ダクト２４Ａ～２４Ｄ、１１３は、燃料電池１の加熱及び冷却を可能にする。燃料電池１を予熱するための伝熱流体循環ダクトは、燃料電池１を冷却するための伝熱流体循環ダクトと組み合わされる。

燃料電池１は、燃料電池１の予熱のために伝熱流体を循環させるためのダクトと、燃料電池１の冷却のために伝熱流体を循環させるための別々のダクトを備えうることが理解される。

図７は、入口端板１２、出口端板１１及び中間板１３を通る燃料循環ダクト５１Ａ～５１Ｄの模式図である。燃料電池１は、中間板１３の循環ダクト内の燃料を制御するための弁１３３、１３４を備えている。制御弁１３３は、第１のサブスタック１０１のダクト５１Ｂと第２のサブスタック１０２のダクト５１Ｄとの間に配置されている。制御弁１３４は、第１のサブスタック１０１のダクト５１Ａと第２のサブスタック１０２のダクト５１Ｃとの間に配置されている。

図８は、入口端板１２、出口端板１１及び中間板１３を通る酸化剤循環ダクト３２Ａ～３２Ｄの模式図である。燃料電池１は、中間板１３の循環ダクト内の酸化剤を制御するための弁１３５、１３６を備える。制御弁１３５は、第１のサブスタック１０１のダクト３２Ａと第２のサブスタック１０２のダクト３２Ｃとの間に配置されている。制御弁１３６は、第１のサブスタック１０１のダクト３２Ｂと第２のサブスタック１０２のダクト３２Ｄとの間に配置されている。

図６～図８の実施形態では、伝熱流体を制御する弁１１１、１１２、１３１、１３２、燃料を制御する弁１３３、１３４及び酸化剤を制御する弁１３５、１３６は、ｍ枚のサブスタック１０１、１０２内の酸化剤及び燃料の循環を可能にするように構成されており、ｍは１以上かつｎ以下である。

図６～図８の実施形態において、ｍは１又は２に等しくすることができ、即ち、制御弁が、単一のサブスタック１０１又は両方のサブスタック１０１、１０２において、伝熱流体、酸化剤及び燃料の循環を可能にするように構成されている。

非限定的な例として、伝熱流体は、オイル又は水としうる。

非限定的な例として、酸化剤は、空気又は純酸素としうる。

図６～図８の実施形態では、制御弁は中間板１３に含まれている。

中間板１３には一部の制御弁を含めることができず、即ち、一部の制御弁が中間板１３の外部にあってもよいことが理解される。

図５は、図３、６及び８の燃料電池１を非限定的な例として、燃料電池１を有するシステム６００を表している。システム６００は、２枚以上の中間板１３を有する燃料電池を有しうることが理解される。

図５の実施形態において、システム６００は、伝熱流体を循環させるための回路２０～２５と、酸化剤を循環させるための回路３０～３３と、燃料を循環させるための回路５０～５２とを有している。

図５の実施形態では、システム６００は、非限定的な例として電気ヒータである、伝熱流体を加熱するように構成された熱交換器２０と、伝熱流体を冷却するように構成された熱交換器２１とを有する。伝熱流体を加熱するように構成された熱交換器２０と、伝熱流体を冷却するように構成された熱交換器２１は、伝熱流体循環回路２０～２５の一部を形成する。

図５の実施形態では、伝熱流体循環回路２０～２５は、燃料電池１内への伝熱流体の流入のための入口ダクト２４と、燃料電池１からの伝熱流体の退出のための出口ダクト２５と、伝熱流体を循環させるポンプ２２と、燃料電池１から来る伝熱流体を、伝熱流体を加熱するように構成された熱交換器２０の方へ向ける又は伝熱流体を冷却するように構成された熱交換器２１の方へ向けることを可能にしている、三方弁２３とを備えている。伝熱流体入口ダクト２４は燃料電池１の入口端板１２に接続されており、伝熱流体出口ダクト２５は燃料電池１の出口端板１１に接続されている。

図５の実施形態において、ポンプ２２及び弁２３は、燃料電池１と熱交換器２０、２１との間の伝熱流体出口ダクト２５内に配置されている。

燃料電池１の作動時において、伝熱流体は、伝熱流体循環回路２０～２５内でループ状に循環する。例えば、伝熱流体は燃料電池１内を循環し、即ち、伝熱流体循環ダクト２４Ａ～２４Ｄ、１１３内を循環し、燃料電池から出て、伝熱流体出口ダクト２５内を循環し、ポンプ２２内を通る。ポンプ２２の出口では、弁２３内で開く方向に応じて、伝熱流体を加熱するように構成された熱交換器２０内を、又は、伝熱流体を冷却するように構成された熱交換器２１内を、伝熱流体が循環する。熱交換器２０又は２１の出口において、伝熱流体は伝熱流体入口ダクト２４内を循環し、燃料電池１に入る。

図５の実施形態において、燃料循環回路５０～５２は、水素タンク５０と、燃料電池１内への水素の流入のための入口ダクト５１と、燃料電池１からの未消費水素の出口のための出口ダクト５２とを有する。水素タンク５０は、燃料電池１に供給する水素を含む燃料気体源に置き換えてもよいことが理解される。水素導入ダクト５１は燃料電池１の入口端板１２に接続されており、未消費水素出口ダクト５２は燃料電池１の出口端板１１に接続されている。

水素は、高圧下で（極低温の）液体状又は気体状で水素タンク５０内に貯蔵され得る。

非限定的な例として、水素タンク５０は、必要に応じて、水素を蒸発させ、その圧力（減圧弁）を燃料電池１にとって適切な値、例えば数ｂａｒ（１０分の数ＭＰａ）、典型的には０．１ＭＰａ（１バール）～０．２ＭＰａ（２バール）絶対圧に下げるための１つ又は複数の装置を介して、燃料電池１に接続される。

燃料電池に気体状水素を供給するモードには、主に「循環」モード又は「行き止まり（dead-end）」モードの２つがある。

「循環」モードでは、燃料電池１の電気生成の機能として必要な水素流量を燃料電池１に与えるように、流量制御弁が燃料電池１の上流に配置されている。この流量はある余剰分を与えられ、未消費水素の割合が出口ダクト５２を通って排出される。

「行き止まり」モードでは、弁が出口ダクト５２に配置されている。この弁はほとんどの時間にわたって閉じている。燃料電池１には、流量制御装置なしで、正しい圧力で水素が直接的に供給される。燃料電池１に必要な水素のみが燃料電池で消費され、これにより、燃料電池１内の水素圧力を低下させる傾向がある。供給装置は、燃料電池１内の所望の水素圧力を維持し、したがって、燃料電池１に水素を供給することが可能となる。燃料電池１に供給される水素は、燃料電池１によって消費される水素と同程度である。

しかし、燃料電池内には寄生現象（クロスオーバ）、陰極内で生成された窒素と水の移動（migration）が存在する。これらの種は膜を通過し、陽極内で終わる可能性がある。これらを排出するために、出口ダクト５２上に配置された弁は、時々開かれる。次いで、この水素流量により、望ましくない窒素及び水を排出することが可能となる。そして、この作動で一定量の水素が失われることが理解される。しかしながら、この供給モードで失われる水素の量は、循環モードにおける水素の損失よりもはるかに低いままである。

第３のモードは、「循環」モードから導かれ、を燃料電池１を出る水素を燃料電池１の入口で再注入し、したがって、さもなくば失われる水素の大部分を再利用することができる。この方法を「再循環」法と呼ぶ。

燃料電池１の作動時において、水素タンク５０に貯蔵された燃料は、燃料電池１への水素の流入のために入口ダクト５１内を循環し、燃料電池１内に入り、燃料電池１内、特に燃料循環ダクト５１Ａ～５１Ｄ内を循環し、燃料電池１を出て未消費水素出口ダクト５２内を循環する。

図５の実施形態において、酸化剤循環回路３０～３３は、空気圧縮機３０と、空気圧縮機３０内の空気を吸い込むためのダクト３１と、空気圧縮機３０と燃料電池１を接続する入口ダクト３２と、燃料電池１の出口ダクト３３とを有する。入口ダクト３２は燃料電池１の入口端板１２に接続されており、出口ダクト３３は燃料電池１の出口端板１１に接続されており、空気圧縮機は、空気圧縮機３１内の空気を吸い込むためのダクト３０と入口ダクト３２との間に配置されている。

燃料電池１の作動中、酸化剤は、空気圧縮機３０内の空気を吸い込むためのダクト３１内を循環し、空気圧縮機３０内を通り、空気圧縮機３０と燃料電池１を接続する入口ダクト３２内を循環し、燃料電池１内に入り、燃料電池１内、特に酸化剤循環ダクト３２Ａ～３２Ｄ内を循環し、燃料電池１を出て出口ダクト３３内を循環する。

図５の実施形態において、システム６００は電池４０を有する電気回路を有する。電気回路は、電池４０を、例えば、空気圧縮機３０用の電気変換器４１と、燃料電池１用の電気変換器４２と、ポンプ２２用の電気変換器４３と、伝熱流体を加熱するように構成された熱交換器２０用の電気変換器４４などの電気変換器に接続する電気バス４を有しうる。電気回路は、電気バス４を、空気圧縮機３０に、燃料電池１に、ポンプ２２に、伝熱流体を加熱するように構成された熱交換器２０に、かつ／又は、電池４０に接続することができるように、又は、それから隔離することができるように構成された電気接触器（又はスイッチ）４００～４４０を有する。

電気変換器及び電気接触器は選択任意であることが理解される。適切であれば、互いに別々としても、又は、共通としうる。変換器４４は、特に、加熱が電気的に行われることを前提とした単なる例示的な実施形態であり、加熱は、他の態様によっても想定され得る。

システム６００を制御するための方法７００を以下に説明する。

制御方法７００は、燃料電池１のスタック１０のｍ枚のサブスタック１０１、１０２、１０３を予熱するステップ７０２であって、ｍは１以上かつｎ以下であり、ｎは燃料電池１の中間板１３の枚数でありかつ１以上である、ステップ７０２を有する。

ｍ枚のサブスタック１０１、１０２、１０３が作動温度にあるとき、ｍ枚のサブスタック１０１、１０２、１０３においてエネルギを生成するステップ７０４がある。

制御方法７００は、少なくとも部分的にｍ枚のサブスタック１０１、１０２、１０３によって生成されたエネルギによって、燃料電池１のスタック１０のｐ枚のサブスタック１０１、１０２、１０３を予熱するステップ７０６であって、ｐ枚のサブスタックはｍ枚のサブスタックから分離されており、ｐは１以上であり、ｍ＋ｐはｎ＋１以下である、ステップ７０６を有しうる。ｐ枚のサブスタックが作動温度にあるとき、制御方法７００は、ｍ＋ｐ枚のサブスタックにおいてエネルギを生成するステップ７０８を有しうる。

制御方法７００では、ｍ枚のサブスタックによって生成されたエネルギは、エネルギ蓄積装置として作用する電池４０に蓄積することができ、かつ／又は、システム６００の補助構成要素に給電するために用いることができ、かつ／又は、システム６００に接続されかつシステム６００によって給電される外部構成要素にエネルギを供給するために用いることができる。

システム６００を制御するための方法７００について、図５～図９を参照して説明する。即ち、ｎが１に等しい１つの実施形態では、即ち、燃料電池１が単一の中間板１３と、スタック１０の２つのサブスタック１０１、１０２とを有している。

制御方法７００は、燃料電池１、即ち図６～図８の実施形態におけるサブスタック１０１を予熱するステップ７０２有する。燃料電池１を予熱するステップ７０２は、図６～図８の段階Ｉに対応する。

図６～図８では、制御弁が閉じているとき、即ち流体を通さないときを実線で表し、制御弁が開いているとき、即ち流体を通すことを可能にしているときを破線で表している。

予熱ステップ７０２の間、電気バス４と電池４０との間に配置された接触器４００と、電気変換器４３とポンプ２２との間に配置された接触器４３０と、電気変換器４４と伝熱流体を加熱するように構成された熱交換器２０との間に配置された接触器４４０は、閉鎖される。三方弁２３は、伝熱流体を加熱するように構成された熱交換器２０を伝熱流体が通って移動するような位置にある。

ポンプ２２によって、伝熱流体循環回路２０～２５内の伝熱流体を駆動する。伝熱流体は、伝熱流体を加熱する熱交換器２０に入る。加熱された伝熱流体は、伝熱流体が燃料電池１内に入るために入口ダクト２４内を循環する。この伝熱流体は、入口端板１２を通って燃料電池１に入り、第１のサブスタック１０１のダクト２４Ａに入る。

中間板１３を制御するための弁１３１は閉じており、中間板１３を制御するための弁１３２は開いているので、伝熱流体は第２のサブスタック１０２のダクト２４Ｃ内に流入せず、伝熱流体は第１のサブスタック１０１内を循環する、即ち伝熱流体は第１のサブスタック１０１を通る。

出口端板１１を制御する弁１１２は閉じており、出口端板を制御する弁１１１は開いており、伝熱流体が第２のサブスタック１０２内を循環せず、即ち、第２のサブスタック１０２を通過しない。次いで、伝熱流体は、燃料電池１を出て、伝熱流体出口ダクト２５内を循環し、ポンプ２２及び熱交換器２０に戻る。

伝熱流体は第２のサブスタック１０２を通過しないので、加熱は主に第１のサブスタック１０１で行われることが理解される。

予熱ステップ７０２の間、反応物質（酸化剤及び／又は燃料）は燃料電池１内を循環しない。

燃料電池１の第１のサブスタック１０１が燃料電池１の作動温度にあるとき、第１のサブスタック１０１においてエネルギを生成するステップ７０４が開始しうる。

第１のサブスタック１０１においてエネルギを生成するステップ７０４の間、電気変換器４１と空気圧縮機３０の間に配置された接触器４１０が閉じられて、空気圧縮機３０が燃料電池１に酸化剤を供給するようになる。

この酸化剤は、空気圧縮機３０内の空気を吸い込むためのダクト３１内を循環し、空気圧縮機３０内に通り、空気圧縮機３０と燃料電池１とを接続する入口ダクト３２内を循環し、燃料電池１内に入り、燃料電池１の第１のサブスタック１０１内を循環し、燃料電池１から出て出口ダクト３３内を循環する。

酸化剤は以下の方法で燃料電池１内を循環する。中間板１３を制御するための弁１３５が閉じられ、中間板を制御するための弁１３６が開いており、第１のサブスタック１０１のダクト３２Ａに入った酸化剤は、第２のサブスタック１０２のダクト３２Ｃに流入せず、酸化剤は第１のサブスタック１０１内で循環する。即ち、図８の段階ＩＩに例示されているように、酸化剤は、第１のサブスタック１０１を通過して制御弁１３６を通過し、第２のサブスタック１０２のダクト３２Ｄに入り、燃料電池１を出て出口ダクト３３に入る。

燃料は、燃料電池１への水素の流入のために流入ダクト５１内を循環し、燃料電池１内に入り、燃料電池１の第１のサブスタック１０１内を循環し、燃料電池１から出て未消費水素出口ダクト５２内を循環する。

燃料は次のように燃料電池１内を循環する。中間板１３を制御するための弁１３３が閉じられ、中間板１３を制御するための弁１３４が開いており、第１のサブスタック１０１のダクト５１Ａに入った酸化剤は、第２のサブスタック１０２のダクト５１Ｃに流入せず、燃料は第１のサブスタック１０１内を循環する、即ち、燃料は、図７の段階ＩＩに例示されているように、第１のサブスタック１０１を通過して制御弁１３４を通過し、第２のサブスタック１０２のダクト５１Ｄに入り、燃料電池１を出て未消費水素出口ダクト５２に入る。

燃料電池の第１のスタック１０１と電気変換器４２との間に配置された、燃料電池１用の電気変換器４２の接触器４２０は、燃料電池１の第１のスタック１０１が電気バス４に接続されるように閉じられている。

第１のサブスタック１０１は、エネルギを生成する。第１のサブスタック１０１においてエネルギを生成するステップは、図６の段階Ｉ及び図７－８の段階ＩＩに対応する。

第１のサブスタック１０１におけるエネルギの生成が、空気圧縮機３０、ポンプ２２、及び熱交換器２０、２１などの補助機器のエネルギの消費より大きい場合、接触器４００は、電池４０を再充電するために閉じたままにすることができ、又は、接触器４００は、電池４０が再充電されるときに開位置に切り替えることができる。接触器４００が開いているとき、第１のサブスタック１０１が補助機器に供給する。また、第１のサブスタック１０１は、電気バス４に接続されたシステムの外部の機器にエネルギを供給することができる。

第１のサブスタック１０１におけるエネルギの生成が、空気圧縮機３０、ポンプ２２、及び熱交換器２０、２１などの補助機器のエネルギ消費よりも低いときには、接触器４００は閉じたままとすることができ、その結果、電池４０は、補助機器の電力需要を補うことができる。

第１のサブスタック１０１におけるエネルギの生成が進行中であるとき、第１のサブスタック１０１における温度は上昇する場合があり、所定の閾値が検出されると、三方弁２３は、燃料電池１から来る伝熱流体を、伝熱流体を冷却するように構成されている熱交換器２１に向けて配向する。燃料電池１の冷却モードでは、電気変換器４４と、伝熱流体を加熱するように構成された熱交換器２０との間に配置された接触器４４０が開いている。

第１のサブスタック１０１におけるエネルギの生成がニーズを満たすのに十分でないとき、制御方法４００は、燃料電池１のスタック１０の第２のサブスタック１０２を予熱するステップ７０６を有しうる。

予熱ステップ７０６の間、第１のサブスタック１０１は、前述のようにエネルギ及び熱を生成し、第１のサブスタック１０１によって生成されたエネルギ及び／又は加熱の少なくとも一部が、第２のサブスタック１０２を予熱するために用いられる。例えば、第１のサブスタック１０１によって生成されたエネルギは、圧縮機３０と、ポンプ２２と、伝熱流体を加熱するように構成された熱交換器２０とに供給することができる。第１のサブスタック１０１によって生成された熱は、第１のサブスタック１０１内を最初に循環して次いで第２のサブスタック１０２内を循環する伝熱流体を介して、第２のサブスタック１０２に伝達される。

図６の段階ＩＩに表されるように、第２のスタック１０２を予熱するために、出口端板１１を制御するための弁１１２が開いており、出口端板を制御するための弁１１１が閉じられており、伝熱流体は第１のサブスタック１０１、次いで第２のサブスタック１０２内を循環し、制御弁１１２から出て、ダクト１１３を通り、燃料電池を出て伝熱流体出口ダクト２５に入り、ポンプ２２及び熱交換器２０に戻る。

ｐ枚のサブスタックを予熱するステップ７０６は、ｍ枚のサブスタックにおいてエネルギを生成するステップ７０４が進行中に実行されることが理解される。ｍ枚のサブスタックにおいてエネルギを生成するステップ７０４は、ｐ枚のサブスタックを予熱するステップ７０６が実行されることなく（アイドルモード）実行しうることが理解される。

第２のサブスタック１０２が作動温度にあるとき、制御方法７００は、２つのサブスタック１０１、１０２においてエネルギを生成するステップ７０８を有しうる。

燃料電池１の第１のサブスタック１０１及び第２のサブスタック１０２が燃料電池１の作動温度にあるとき、第１のサブスタック１０１及び第２のサブスタック１０２においてエネルギを生成するステップ７０８が開始することができる。

燃料電池１の冷却モードでは、ポンプ２２と電気バス４との間に配置された接触器４３０が閉じられ、電気変換器４４と、伝熱流体を加熱するように構成された熱交換器２０との間に配置された接触器４４０が開いている。三方弁２３により、燃料電池１から来る伝熱流体を、伝熱流体を冷却するように構成された熱交換器２１に向かって配向させる。出口端板１１を制御するための弁１１１は開いており、出口端板１１を制御するための弁１１２は閉じており、中間板１３を制御するための弁１３１は開いており、中間板１３を制御するための弁１３２は開いており、伝熱流体が第１のサブスタック１０１内及び第２のサブスタック１０２内を循環するようになっている。即ち、伝熱流体は、第１のサブスタック１０１及び第２のサブスタック１０２を並行して通過し（且つ、第２のサブスタック１０２を予熱するステップと連続して行われず）、制御弁１１１を通って出て、燃料電池を出て伝熱流体出口ダクト２５に入ってポンプ２２及び熱交換器２０に戻る。伝熱流体は、図６の段階ＩＩＩに例示されているように、ダクト２４Ａの第１のサブスタック１０１を通ってダクト２４Ｂに向かって通過し、ダクト２４Ｃの第２のサブスタック１０２を通ってダクト２４Ｄに向かって通過する。

第１のサブスタック１０１及び第２のサブスタック１０２においてエネルギを生成するステップ７０８の間、電気変換器４１と空気圧縮機３０との間に配置された接触器４１０が閉じられ、その結果、空気圧縮機３０が燃料電池１に酸化剤を供給する。

この酸化剤は、空気圧縮機３０内の空気を吸い込むためのダクト３１内を循環し、空気圧縮機３０内に入り、空気圧縮機３０と燃料電池１を接続する入口ダクト３２内を循環し、燃料電池１に入り、燃料電池１の第１のサブスタック１０１及び第２のサブスタック１０２内を循環し、燃料電池１から出て出口ダクト３３内を循環する。

酸化剤は以下の方法で燃料電池１内を循環する。中間板１３を制御するための弁１３５は開いており、中間板を制御するための弁１３６は開いており、第１のサブスタック１０１のダクト３２Ａに入った酸化剤が第２のサブスタック１０２のダクト３２Ｃに流れ、酸化剤が第１のサブスタック１０１内及び第２のサブスタック１０２内を循環するように、即ち、酸化剤は、図８の段階ＩＩＩに例示されているように、ダクト３２Ａから第１のサブスタック１０１のダクト３２Ｂに通ることによって第１のサブスタック１０１を通過し、ダクト３２Ｃからダクト３２Ｄに通ることにより第２のサブスタック１０２を通過し、燃料電池１を出て出口ダクト３３に入る。

燃料は、燃料電池１内への水素の流入のために入口ダクト５１内を循環し、燃料電池１内に入り、燃料電池１の第１のサブスタック１０１内及び第２のサブスタック１０２内を循環し、燃料電池１から出て未消費水素出口ダクト５２内を循環する。

燃料は次のように燃料電池１内を循環する。中間板１３を制御する弁１３３は開いており、中間板を制御する弁１３４は、第１のサブスタック１０１のダクト５１Ａに入った燃料が第２のサブスタック１０２のダクト５１Ｃに流入し、燃料が第１のサブスタック１０１及び第２のサブスタック１０２内を循環するように開いている、即ち、燃料は、図７の段階ＩＩＩに示すように、第１のサブスタック１０１のダクト５１Ａからダクト５１Ｂに通ることによって第１のサブスタック１０１を通過し、ダクト５１Ｃからダクト５１Ｄに通ることによって第２のサブスタック１０２を通過し、燃料電池１を出て未消費水素出口ダクト５２に入る。

電気変換器４２と、燃料電池１の第１のサブスタック１０１及び第２のサブスタック１０２との間にそれぞれ配置された燃料電池１用の電気変換器４２の接触器４２０、４２１は、燃料電池１の第１のサブスタック１０１及び第２のサブスタック１０２が電気バス４に接続されるように閉じている。

第１のサブスタック１０１及び第２のサブスタック１０２はエネルギを生成する。第１のサブスタック１０１及び第２のサブスタック１０２のエネルギを生成するステップ７０８は、図６～図８の段階ＩＩＩに対応する。

需要が低減するとき、第２のサブスタック１０２におけるエネルギの生成を停止することが可能であることが理解される。

再び需要が増加するとき、第１のサブスタック１０１及び第２のサブスタック１０２においてエネルギを生成することによって、より多くのエネルギを再び生成することができる。

当然のことながら、制御方法７００は、単一の中間板１３を備えた燃料電池１に限定されない。制御方法７００は、単一の中間板１３よりも多くを有する燃料電池１と同様の方法で適用することができる。また、中間板１３の枚数に応じて、ｍ枚のサブアセンブリを予熱するステップ７０２の間、又は、ｐ枚のサブスタックを予熱するステップ７０６の間において、一度に１つ以上の小集団（サブセット）を予熱することができる。

必要に応じて、各サブスタックを予熱することも、必要に応じて、要求に応じて予熱することも、そうしないことも可能であることが理解される。

同様に、各サブスタックは、必要に応じてエネルギを生成しても、そうしないことも可能であることが理解される。

本開示は、特定の例示的な実施形態を参照して説明されたが、請求項により規定される発明の一般的な範囲から逸脱することなく、これらの例に種々の修正及び変更を加えることができることは自明である。さらに、説明される様々な実施形態の個々の特徴は、さらなる実施形態で組み合わされうる。したがって、明細書及び図面は、限定的意味ではなく、例示的意味で考慮されるべきである。電気加熱手段でなくてもよい加熱手段２０についても同様である。

Claims (10)

1. 燃料電池（１）において、
   前記燃料電池（１）は、
   陽極（１５２）と陰極（１５４）との間に配置されたイオン伝導性電解質（１５０）を有する、膜・電極アセンブリのスタック（１０）であって、隣接する２つの前記アセンブリは双極板（１５６）によって分離されており、前記スタック（１０）は第１端部及び第２端部を有する、膜・電極アセンブリのスタック（１０）と、
   前記スタック（１０）の第１端部に配置された入口端板（１２）と、前記スタック（１０）の第２端部に配置された出口端板（１１）と、
   前記スタック（１０）の前記入口端板（１２）と前記出口端板（１１）との間に配置された、ｎ枚の中間板（１３）であって、前記スタック（１０）のｎ＋１枚のサブスタック（１０１、１０２、１０３）を形成し、ｎは１以上である、ｎ枚の中間板（１３）と、
   前記燃料電池（１）内で伝熱流体を循環させるためのダクト（２４Ａ～２４Ｄ、１１３）と、酸化剤を循環させるためのダクト（３２Ａ～３２Ｄ）と、燃料を循環させるためのダクト（５１Ａ～５１Ｄ）であって、複数の循環ダクトは、前記入口端板（１２）と、前記出口端板（１１）と、前記ｎ枚の中間板（１３）とを通る、ダクトと、
   前記出口端板（１１）の前記複数の循環ダクト内の伝熱流体を制御するための制御弁（１１１、１１２）と、前記ｎ枚の中間板（１３）の前記複数の循環ダクト内で前記伝熱流体を制御するための制御弁（１３１、１３２）、前記酸化剤を制御するための制御弁（１３５、１３６）及び前記燃料を制御するための制御弁（１３３、１３４）とを備え、
   前記制御弁は、前記スタック（１０）のｍ枚のサブスタック（１０１、１０２、１０３）内で前記伝熱流体、前記酸化剤及び燃料の循環を可能にするように構成されており、前記ｍは１以上かつ前記ｎ以下である、燃料電池（１）。
2. 前記燃料電池の予熱のため及び前記燃料電池の冷却のために前記伝熱流体を循環させるための複数のダクトが組み合わされている、請求項１に記載の燃料電池（１）。
3. 前記イオン伝導性電解質（１５０）がプロトン交換膜である、請求項１又は２に記載の燃料電池（１）。
4. 前記プロトン交換膜が高温のプロトン交換膜である、請求項３に記載の燃料電池（１）。
5. 前記ｎ枚の中間板（１３）の内の少なくとも１つを制御するための弁が、前記中間板（１３）の外部にある、請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池（１）。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池（１）と、
   前記伝熱流体を循環させるための回路（２４、２５）と、
   前記燃料を循環させるための回路（３０～３３）と、
   前記酸化剤を循環させるための回路（５０～５２）と、
   エネルギを貯蔵する装置を備える電気回路とを備える、システム（６００）。
7. 前記伝熱流体循環回路が、前記伝熱流体を冷却するように構成された熱交換器（２１）と、前記伝熱流体を加熱するように構成された熱交換器（２０）とを備える、請求項６に記載のシステム（６００）。
8. 請求項６又は７に記載のシステム（６００）を制御するための方法（７００）において、
   前記方法（７００）は、
   燃料電池（１）のスタック（１０）のｍ枚のサブスタック（１０１、１０２、１０３）を予熱するステップ（７０２）と、
   前記ｍ枚のサブスタック（１０１、１０２、１０３）が作動温度にあるとき、前記ｍ枚のサブスタック（１０１、１０２、１０３）においてエネルギを生成するステップ（７０４）とを備える、方法（７００）。
9. 前記方法は、
   前記燃料電池（１）の前記スタック（１０）のｐ枚のサブスタック（１０１、１０２、１０３）を、少なくとも部分的に、前記ｍ枚のサブスタック（１０１、１０２、１０３）によって生成されたエネルギ及び／又は熱によって予熱するステップ（７０６）であって、前記ｐ枚のサブスタックは、前記ｍ枚のサブスタックから分離されており、前記ｐは１以上でありかつ前記ｍ＋前記ｐは前記ｎ＋１以下である、ステップ（７０６）と、
   前記ｐ枚のサブスタックが作動温度にあるとき、前記ｍ＋ｐ枚のサブスタックにおいてエネルギを生成するステップ（７０８）とを備える、請求項８に記載の制御方法（７００）。
10. 前記ｍ枚のサブスタック（１０１、１０２、１０３）によって生成されたエネルギは、前記エネルギ蓄積装置に貯蔵され、かつび／又は、前記システム（６００）の補助構成要素に給電するのに使用され、かつ／又は、前記システム（６００）の外部の構成要素に給電するのに使用される、請求項８又は９に記載の制御方法（７００）。

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