JP3926982B2 - 改良された燃料電池及びその制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改良された燃料電池及び該電池を制御するための方法に関し、より詳しくは、一方で燃料電池が故障した際にその内部要素への損傷を防ぎ、他方で電池の電気パワー出力を増加させるためにも利用することができる電気回路を有した燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、通常周囲の空気から供給される酸素と水素が反応し、電気と水を生成する電気化学装置である。基本的な処理は非常に効率が高く、水素によって直接燃焼される燃料電池は実質的に無公害のものである。さらに、燃料電池は種々の大きさの積層体に組み上げることができるので、広範囲の電気パワー出力レベルを提供するための電力システムが開発されており、従って、これらは数多くの産業部門へ採用することができる。
【０００３】
全ての燃料電池で起こる基本的な電気化学的処理過程は良く理解されてはいるが、ある種の燃料電池ではその信頼性を高めるための技術的解決策が、また他の種類のものでは経済的にするための技術的解決策がまだ見つかっていないことが分かった。ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池の場合、信頼性はこれまではあまり大きな関心事ではなく、発電容量のワット当りの設置コストの方がむしろ関心事であった。最近になって、ワット当りのＰＥＭ燃料電池コストを更に下げるために、電力出力を高めることに、より多くの注意が向けられてきた。歴史的には、そのことにより、ＰＥＭ燃料電池電力出力を最適化し且つ高く維持するのに必要な更に洗練された均衡のとれたプラントシステムをもたらす結果となった。非常に複雑な平衡なシステムとなった結果、小さい容量の適用には容易にはスケールダウンできない。したがって、設置コスト、効率、信頼性、保守に要する出費は全て、小さい発電への適用では不都合に作用する。
【０００４】
単体ＰＥＭ燃料電池は、負荷が掛けられた状態で、約０．４５〜約０．７Ｖの有効電圧を発生することがよく知られている。実際のＰＥＭ燃料電池プラントは、複数のセルを積層し、それらが電気的に直列に接続されるように従来は組立てられてきた。さらに、補助的な加湿が陽子交換薄膜（電解質）に施されると、ＰＥＭ燃料電池は、より高いパワー出力レベルで動作し得ることが分かっている。この点に関し、加湿は、陽子の流れに対する陽子交換薄膜の抵抗を下げる。この湿度の増加を達成するには、種々の方法で水素又は酸素の流れに補助水を導入するか、より直接的に、例えば“ウィック（wicking：ろうそくの芯が油分を吸い上げるような作用）”として知られている物理現象の方法により、陽子交換薄膜に補助水を導入することができる。しかしながら、近年における研究の中心は、稼動中、補助加湿なくして、パワー出力が増加的に改善された薄膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を開発することであった。自己加湿されたときにＭＥＡを動作させるようにすることが好ましい。なぜならば、関連したコストと共に衡平制御の複雑さを減少するからである。しかしながら、自己加湿は燃料電池を低い電流密度で動作させる結果となり、したがって次にこれは、所定のパワー量を発生させるためには、より多くのアセンブリを必要とする結果となる。
【０００５】
各種設計によるＰＥＭ燃料電池がその成功の度合いに差があるものの過去に動作しているものもあるが、それらは、その有用性を損なう欠点も有していた。例えば、ＰＥＭ燃料電池電力装置は典型的には、相互に電気的に直列に接続されること（スタック構造）により出力電圧を増加させるための多数の個別燃料電池を有するものである。この構成では、スタック内の燃料電池の一つがもし故障すれば、もはや電圧と電力を提供することができない。そのようなＰＥＭ燃料電池電力装置のより一般的な故障の一つは、ある薄膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の水和が、同一燃料電池スタック内の他のＭＥＡより、より少なくなったところで起こる。この薄膜水和の損失は、有効に動作する燃料電池の電気抵抗を増加し、したがって、より多くの無駄な熱を発生させることになる。次に、この増加した熱は、薄膜電極アセンブリを乾燥させることになる。この状態は負の水和悪循環を形成することになる。燃料電池の継続的な過熱は、最終的には有効であった燃料電池の極性を反転させ、その結果、スタック内の残りの燃料電池からの電力をここで消費するようになる。もしこの状態が調整されないと、故障した燃料電池によって発生した過度の熱は、薄膜電極アセンブリを貫通させ、水素が漏洩するようになる。もしこの貫通が発生した場合には、燃料電池スタックは完全に分解され、修理されなければならない。採用される燃料電池スタックの設計にもよるが、この修理又は交換は、コストが嵩み、そしてその作業には時間が掛かるものである。
【０００６】
さらに、設計者は、自己加湿型ＰＥＭ燃料電池内の電流密度を増強できると共に、同時にこれらの装置の衡平的要件を増やすことのないものを長い間望んでいた。
【０００７】
したがって、従来技術の設計及び実例に関連して分かった問題点に注目すると共に、それら個々に関連した欠点を防ぐための、改良された燃料電池が本明細書に記載されている。
【０００８】
【発明の概要】
本発明の一態様は、燃料電池に電気的に接続され、所定の動作条件のもとでは、燃料電池のアノードとカソードの間の電流を短絡する制御装置を有する燃料電池を提供することである。
【０００９】
本発明の他の態様は、燃料電池に電気的に接続され、燃料電池のアノードとカソードの間の電流を短絡する制御装置を有し、該制御装置は、第１の条件のとき、所定の電圧及び電流を検出したことに応じて、一方で不良燃料電池セルへの燃料ガスの供給を停止すると共に、他方で同時に前記不良燃料セルのアノードとカソードの間の電流を短絡し、よってその不良燃料電池のための電流側路を設ける燃料電池を提供することである。
【００１０】
本発明の他の態様は、燃料電池に電気的に接続され、所定の動作条件の間、燃料電池のアノードとカソードの間の電流を短絡する制御装置を有し、第２の条件のとき、燃料電池はデューティ及び動作サイクルを有し、そして、前記制御装置は、燃料電池のデューティサイクルの間、アノードとカソードの間の電流を周期的に短絡し、その結果、燃料電池の電力出力を増加させる燃料電池を提供することである。
【００１１】
本発明の更に他の態様は、アノードとカソードを有し、所定の電圧及び電流出力の電気パワーを発生する燃料電池であって、該燃料電池は、
対向する側面を有する薄膜であって、前記アノードが前記薄膜の一方の側面上に設けられ、前記カソードが、前記アノードに対向する薄膜の他方の側面上に設けられる薄膜と、
前記アノードに対して流体移動可能関係に設けられた燃料ガス供給部と、前記カソードに対して流体移動可能関係に設けられたオキシダントガス供給部と、
前記アノード及びカソードに対して個別に且つ電気的に結合された電圧及び電流センサーと、
燃料電池への燃料ガスの供給を制御するために、前記燃料ガス供給部に対して、流量測定可能な関係に設けられるバルブと、
前記アノード及びカソードと電気的に接続され、電気的な開放及び閉鎖の状態に設定し得る電気的スイッチと、
前記電気的スイッチ、バルブ、電圧及び電流センサーに接続された制御装置であって、該制御装置は、前記電圧及び電流センサーで所定の電圧及び電流が検知されることに応じて、前記燃料ガス供給部に対して前記バルブを所定の流量測定可能関係に調整すると共に、前記電気的スイッチが所定の電気的な開放又は閉鎖の状態となるようにし、そして前記制御装置は、第１の条件において、前記電気的スイッチが閉鎖電気状態のとき、前記燃料電池のアノードとカソードの間の電流を短絡し、また同時に、前記バルブを前記燃料電池のアノードへの燃料ガスの供給を停止させ、そして前記電気的スイッチは、それが前記制御装置によって開放電気になっているとき、前記バルブを、前記燃料電池のアノードに対して燃料ガスのほぼ連続的な供給を許容するような状態とし、そして前記制御装置は、第２の条件において、前記電気的スイッチが閉鎖電気状態になっているとき、燃料電池のアノードとカソードの間の電流を短絡し、同時に、前記バルブを、前記電気的スイッチが開放及び閉鎖されている間、燃料電池のアノードに対して燃料ガスのほぼ連続的な供給を許容する状態に維持するようになった制御装置と、を具備するものである。
【００１２】
本発明の更に他の態様は、デューティサイクルの間、燃料電池のアノードとカソードの間の電流を短絡するように動作する制御装置を有する燃料電池であって、第２動作条件において、動作サイクルは約０．０１秒〜約４分であり、燃料電池の電気パワー出力は少なくとも約５％増加し、デューティサイクルの間の短絡期間は、動作サイクルの約２０％より短い燃料電池に関する。
【００１３】
【好適実施例の説明】
本発明のこれら及び他の特徴を、以下詳細に説明する。
【００１４】
本発明の改良されたポリマー電解質薄膜（ＰＥＭ）燃料電池は、図２を参照することにより最も良く理解され、これは、参照番号１０によって示されている。ＰＥＭ燃料電池は、一般的なこととして、水素供給フレーム１１を有する。水素供給フレームは、可撓率が平方インチ当たり約500,000lbsより小さく、圧縮耐圧が平方インチ当たり約20,000lbsより小さい基板によって形成される。そのようなものであれば、フレームを形成するにあたって、如何なる数の適当な且つ等価な熱可塑性の材料を利用することもできる。水素供給フレーム１１は、図２に示される通り、本体１２を有する。本体は対向する端部とハンドル１３を有し、このハンドルは本体の手動操作を可能とするものである。ハンドルは本体１２に一体的に設けられている。さらに、本体１２の対向する端部上には、細長い案内部材又は背骨状突起１４が設けられている。各突起１４は、後に詳細を説明するサブラックの上部部分及び底部部分に形成された細長いチャンネルに合致して受け入れられ、これと協働するようになっている。
【００１５】
図２に示されている通り、本体１２は、包括的に参照番号２０で示され、且つ個々には参照番号２１，２２，２３，２４でそれぞれ示された複数の実質的に対向したキャビティをそれぞれ画定する。さらに、複数の開口２５が本体１２の所定の場所に形成されており、これらは、留め具２６を受け入れるようになっている。本体は更に一組の通路３０を有する。一組の通路は、水素ガス源（図３に見ることができる）からの水素ガスを供給するための第１通路３１と、キャビティ１２１〜１２４のそれぞれからの不純物、水、未反応水素ガスを除去する役割を果す第２通路３２からなる。連絡通路３３は、第１、第２キャビティ２１，２２、及び第３、第４キャビティ２３，２４をそれぞれ互いに流体移動可能に結合し、その結果、第１通路３１の手段によって供給された水素ガスは、キャビティ２１〜２４のそれぞれに入り込んで行く道を自ら見出すことになる。キャビティ２１〜２４は、その大きさ及び形状ともに実質的に同一である。さらに、各キャビティは、所定の表面領域及び深さを有する窪み領域３４を具備する。窪み領域３４には、そこからほぼ垂直に外側に延びている複数の小さい突起が設けられている。これら個々の突起の機能は後に詳しく説明することとする。図２に見られる通り、第１及び第２通路３１，３２は、窪み領域３４に対して、流体移動可能に接続されている。本体１２はまた、途中が断続している周囲端を有している。特に、周囲端は、多数のギャップ又は開放口３６をそれに沿って画定する。さらに、各通路３１，３２は、所定の外側直径寸法を有する終端部３７を有する。各通路３１，３２の終端部３７は、後で詳細に説明するバルブに対して流体移動可能な状態で、合致結合されるようになっている。
【００１６】
各キャビティ２１〜２４内には、それぞれ薄膜電極アセンブリ５０が設けられる。薄膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、固体電解質からなる本体５１を有する。薄膜電極アセンブリは、１９９７年１１月２０日付出願である米国特許出願第０８／９７９，８５３にその詳細が記載されており、その出願の内容は、本件出願に参照によって組み入れられるものである。ＭＥＡの本体５１は、アノード側５２と反対側のカソード側５３とを有する。アノード側５２は、複数の突起３５によって、各キャビティ２１〜２４を形成する水素供給フレーム１１に対して間隔を置いた関係に保持される。この関係により、それぞれのキャビティに、より具体的にはアノード側に供給された水素が、ＭＥＡのアノード側５２の全ての部分に行き渡ることが確実となる。触媒アノード及びカソード電極からなる電極５４は、本体５２上に形成される。これらの電極に関しては、先に記した米国出願に更に詳しく説明されており、その内容も、本願明細書に参照によって組み入れられるものである。さらに、非触媒性で電気的導電拡散層（図示せず）がアノード電極及びカソード電極に付着されており、これらは所定の多孔性を有する。これらの非触媒性電気的導電層のことも、先の米国出願の中に記載されているが、ここでは、説明を簡単にするために、更に詳細には述べないこととする。
【００１７】
図２に更に示されている通り、本発明のＰＥＭ燃料電池１０は更に、キャビティ２１〜２４にそれぞれ受け入れられる一対の電流コレクタを有する。各電流コレクタはそれぞれ、各ＭＥＡ５０の対向したアノード５２及びカソード５３と並列状の電気的接触状態を保って配置される。各電流コレクタは、それに複数の開口６２を有する本体６１を有する。導体部材又は部分６３は本体から外側に向かって伸び出ており、そして水素供給フレーム１１内のギャップ又は開口部３６を通して伸び出るように設計されている。このことは、図１を検討することにより理解できる。各導電部材６３は、以下に詳細を説明するサブラックの背面壁に設けられた一対の導電コンタクトの間に受容され、そして一旦受容されると、これと電気的な結合が保たれる。電流コレクタの製造方法は先の米国特許出願内に詳しく説明されており、その内容は、本願明細書に参照によって組み入れられる。
【００１８】
更に詳しく図２に示されている通り、本発明のＰＥＭ燃料電池１０は更に、電流コレクタ６０のそれぞれと、それらの間に挟まれたＭＥＡ５０に対して所定の力を与えるための個別力付与アセンブリ７０を有する。この点に関し、個別力付与アセンブリは、水素供給フレーム１１のそれぞれのキャビティを部分的に覆うカソードカバー７１を有する。図１及び図２に示されている通り、カソードカバーそれぞれは個別に且つ脱着可能に、相互にそして水素供給フレーム１１に対して共働するか、さもなければ嵌り合う。複数の金属製波型スプリングとして示されているバイアスアセンブリ７２は、カソードカバーと共働すると共に、近傍の圧力伝達アセンブリ７３に力を伝達するように動作する。カソードカバーのそれぞれは、水素供給フレーム１１によって画定された各キャビティ２１〜２４のうちの一つに、それぞれ入れ込まれるか、さもなければ、合致結合又は係合する。カソードカバーが好ましい状態で入れ込まれると、カソードカバーの外側面７４によって画定される個別の開口７５は、薄膜電極アセンブリ５０のカソード側に空気を循環させる通路７６を画定する。各電流コレクタ６０を関連したＭＥＡに対して良好な抵抗電気接触を維持するために十分な所定の力を出させるために、留め具２６が、各カソードカバーを通して、そしてカソードカバーによって挟まれた水素供給フレームを通して受け入れられる。燃料電池１０を通した空気の循環、及び関連したサブラックとのその作用的共働作用のことは、上記の先に出願した特許明細書内に記載されており、その内容は本願明細書内に参照によって組み入れられる。
【００１９】
図１に示されている通り、そして先に記した米国特許出願により完全に開示されている通り、ＰＥＭ燃料電池１０は、参照番号９０で一般的に示されているサブラックという方法により、複数の他の燃料電池（図３）に直列に電気的に接続されるようになっている。サブラック９０は、上部部分９２及び底部部分９３をそれぞれ有する本体９１を有する。上部部分と底部部分は背面壁９４によって互いに接続されている。細長いチャンネル９５が上部部分及び底部部分にそれぞれ設けられ、これらは、水素供給フレーム１１に形成された個別の突起をスライド状に受け入れるようになっている。図１の分解図に最も明確に示されている通り、サブラック９０は、互いに接続されたとき、本体９１を形成する多数の鏡像部分９６からなっている。これらの鏡像部分９６は、成型絶縁基板で形成されている。サブラック９０の機能的特性は、先の特許出願に詳しく説明されており、その内容は参照によって本願明細書に組み入れられる。図１に最も良く表されている通り、サブラック９０の背面壁９４上には、ＤＣ（直流）バス１００が設けられている。背面壁上には、繰り返しパターンの８組の導体コンタクト１０１が設けられている。さらに、背面壁上には、第１バルブ１０２及び第２バルブ１０３が設けられており、これらは、水素供給フレームと流体移動可能な状態で合致結合されるようになっている。第１及び第２バルブはそれぞれ背面壁を通過して延び、適当な管（図示せず）と接続される。第１バルブ１０２は、水素源１０５（図３参照）と流体移動可能に接続される。さらに、第２バルブ１０３は、外気に排気するか、または、先の特許出願に開示されているような水素回収及びリサイクル装置のような他の装置に流体移動可能に接続されても良い。最後に、燃料電池１０は、図３に示すように第３バルブ１０４を有し、このバルブ１０４は、水素源１０５と第１バルブ１０２との間に流量計測可能な状態に設けられている。サブラック９０はまた、空気供給装置（図示せず）を有し、これは、周囲空気を燃料電池１０内を所定のパターンで移動させる。この空気供給装置は先の特許出願明細書に詳しく説明されているが、簡略にするために、ここでは更に詳細には説明しないこととする。
【００２０】
図３を参照すると、複数の燃料電池１０が示されており、これらは、所定の電圧及び電流出力を有する電気を発生するために、直列に電気的に接続されている。短絡制御回路１２０が示されている。短絡制御回路１２０は、燃料電池の一つのアノード５２とカソード５３とを電気的に結合する電気通路１２１を有する。この電気回路は図３に示される燃料電池のそれぞれに設けられるか、さもなければ関連していると理解すべきである。すなわち、個別の短絡制御回路１２０が、直列に接続された燃料電池のそれぞれのアノードとカソードとを個別に電気的に結合するものである。しかしながら、図３では、簡略化のために、これら回路のうちの一つのみが示されている。短絡回路のそれぞれは、参照番号１２２で一般的に示されている単一の短絡制御部に電気的に接続されている。上に記した通り、短絡制御部は、一つだけの短絡制御回路に接続されているものとして図示されている。しかしながら、短絡制御部は、実際には、直列に接続された燃料電池のそれぞれに対応して、多数の短絡制御回路に接続されても良い。上に記した通り、図３は本発明を図示するために極めて簡略化して示したものである。
【００２１】
短絡制御部１２２は、一組の電圧センサー１２３を含む多数の個別部品からなっており、その電圧センサー１２３は、各燃料電池１０のアノード５２とカソード５３の電圧を検知するために、アノード５２とカソード５３に電気的に接続されている。さらに、短絡制御部は、ここでは従来技術の設計による電界効果トランジスタとして示されている、電気的なスイッチ１２４に電気的に接続されている。商業的に好ましいＭＯＳＦＥＴは、商品記号ＦＳ１００ＵＭＪとして三菱から入手することができる。短絡制御部１２２は、従来からある一般販売ルートを通して購入することができる。本願のための好ましい制御部１２２は、ＭＣ６８ＨＣ７０５Ｐ６Ａを商品記号として有するプログラム可能なマイクロコントローラチップである。このチップは、図４に示すようなプログラムロジックを実行するのに利用され且つプログラムされるものであり、また、以下に詳細に説明する通り、短絡制御回路を、燃料電池１０の第１及び第２動作条件に反応させる。短絡制御部１２２は更に、燃料ガス１０５の供給に対して流量測定可能（“燃料ガス遮断制御”と図面内に記載）に設けられたバルブ１０４に対して制御可能に電気的に接続されている。短絡制御回路１２０は更に、各燃料電池のアノード５２とカソード５３を電気的に結合するバイパス電気回路１２６を有する。このバイパス電気回路はダイオード１２７からなる。電流センサー１２８は更に、燃料電池１０に、そこを流れる電流を検出するために電気的に接続されている。電流センサーは短絡制御部１２２と一体的に構成されている。上に記した通り、短絡制御回路１２０は、図４に詳しく記載され、その図に参照番号１３０として示されているプログラムロジックによって制御される。バイパス電気回路は、短絡制御部１２２が故障したとき、燃料電池１０のアノードとカソードの間の電流を短絡するように動作する。
【００２２】
図３の検討により最も良く理解される通り、燃料電池１０は、所定電流及び電圧出力の電気パワーを発生するアノード５２とカソード５３を有する。短絡制御部１２２は燃料電池１０に電気的に接続され、所定動作条件のもとで、燃料電池のアノードとカソードの間の電流を短絡するように動作する。前に述べた通り、短絡制御部１２２は電圧センサー１２３と電流センサー１２８を有し、これらは、燃料電池１０の電圧出力及び電流出力に対して、電圧検出及び電流検出可能に設けられると共に、更に、燃料電池１０のアノード５２とカソード５３と電気的に接続されている。さらに、短絡制御部１２２は更に、ここでは電界効果トランジスタとして図示されている電気的スイッチを有する。電界効果トランジスタ１２４は状態として、開放電気状態と閉鎖電気状態とを有する。以下において更に詳しく説明する通り、短絡制御部１２２は、電圧センサー１２３及び電流センサー１２８の手段により、燃料電池１０の所定電圧及び電流を検出すると、燃料ガスの供給に関して、バルブ１０４を所定の燃料計測関係となるように調節する。さらに、短絡制御部１２２は、燃料電池１０それぞれの所定特性パラメータに基づいて、電界効果トランジスタを“開放”又は“閉鎖”の電気状態に設定する。
【００２３】
この点に関し、ある燃料電池が、その出力電圧が約０．４Ｖより低くなるような場合である、所定の特性、パラメータ及び期待値を下回って動作している第１の動作条件においては、短絡制御部１２２は、燃料電池１０への燃料ガス１０５の供給を停止するような位置にバルブ１０４をすると同時に、電気的スイッチ１２４を閉鎖電気状態にし、こうすることにより、負の水和降下現象が発生したときに起こるであろう、燃料電池１０への加熱に関連した損傷が生じることを実質的に防止するために、アノード５２からカソード５３への電流を短絡するものである。このことは、本明細書において既に述べた通りである。さらに、電気的スイッチ１２４がその後に開放状態にされれば、短絡制御部１２２は、バルブ１０４を、燃料電池に燃料ガスの供給をほぼ連続的に行う状態にするように動作する。
【００２４】
ここで説明した第１及び第２の動作条件においては、個別の及び直列に電気的に接続された燃料電池１０の所定の特性パラメータは、燃料電池１０の選択された電流及び電圧出力からなる。これらの所定閾値特性パラメータは、限定的なものではないが、実験を含む種々の方法によって決定してもよく、その例として、動作履歴又は電気的な負荷によって決定することができる。さらに、第１の動作条件における所定特性パラメータには、例えば、所定期間を経て燃料電池の特性パラメータが単に又は概して低下するようなもの、約０．４Ｖより低い範囲に低下する場合、または、当該燃料電池と直列に接続されている他の燃料電池１０の動作特性に対して相対的に特性が低下又は劣化するようなものを含めることができる。可能性のあるパラメータのリストは、必ずしも全てを含む必要はなく、そしてその他の多くの物理的な特性パラメータを監視することもできる。こうすることにより、選択された燃料電池が故障しそうになっていること、そしてその欠陥が重大である場合には、修理又は交換のためにスタックから取り外すべきであること、または、他方で、燃料電池１０が選択された所定の特性パラメータに回復できるか否かを決定するために、短絡を増加させることを示唆するものである。このことは、図４を参照することによって最も良く示されている。
【００２５】
第２の動作条件においては、短絡回路１２０は、燃料電池２０の結果としての電気パワー出力を増加させるように作動する。上で述べた通り、燃料電池１０は、燃料電池１０の選択された電流及び電圧出力を含む所定の特性パラメータを有する。第２の動作条件においては、特性パラメータが単純に低下し、且つ最低閾値以下には低下していない場合、上で説明した通り、短絡回路１２０は、個々のそしてグループとしての燃料電池１０が所定の特性パラメータにまで回復させるためのものとして用いられている。例えば、選択的又はグループとしての燃料電池１０は、時間の経過で、その電圧及び電流出力が低下し始めるかも知れない。この低下は短絡制御部１２２によって検出されるので、短絡制御部１２２は、特性が劣化した燃料電池１０のアノードとカソードの間の電流を、その燃料電池の所定特性パラメータを回復させるのに有効な個々に区別される速度で、直列に反復して短絡するように動作する。他の実施例では、特性パラメータが単に低下するような場合、短絡制御部１２２は、当該燃料電池の低下する特性パラメータを、その他の燃料電池の特性パラメータと比較し、その電気的特性を改善するように、参照することにより、個々の燃料電池１０のデューティサイクルを調節することが有効的である。理解される通り、用語“デューティサイクル”は、ここでは、装置を動作させる時に占める“オンタイム”期間の１動作サイクルの全時間に対する比（パルス繰返し期間に対するパルス継続時間の比）を意味する。用語デューティサイクルを定義するもう一つの方法は、断続的に動作する装置においては、動作時間の全作動時間に対する比である。このデューティサイクルは、全動作サイクル時間の百分率として表わされる。本発明においては、したがって、短絡制御部１２２は、選択した燃料電池に関して、その燃料電池が選択された所定の特性パラメータ以上に回復又は維持するように、短絡の持続時間と動作サイクル時間の双方を調節するように動作する。
【００２６】
上に記した通り、我々発明者は、第２の動作条件において、燃料電池の特性強化が、燃料電池１０のアノード５２とカソード５３の間の電流を調節的に繰返して直列に短絡することによって達成し得ることを発見した。この点、第２の動作条件においては、図４に参照番号１３０で示されるプログラムロジックが、燃料電池１０のそれぞれに電気的に個別に接続され且つ関連する各電気的スイッチ１２４を、個別に調節的に且つ周期的に開放又は閉鎖するために、短絡制御部１２２によって利用される。これらの電気的スイッチ１２４は、要求される所定の電圧及び電流出力を得るために、任意のグループ又はパターンで、または如何なる方法において、個別に且つ直列的に活性化しても良い。この点に関し、好ましい動作サイクル時間は約０．０１秒から約４分であると決められた。この周期的な短絡が実行された場合、燃料電池１０の電圧出力は少なくとも約５％増加することが分かった。さらに、短絡制御回路１２０は、動作サイクルの約２０％以下の期間、電流を短絡するように動作する。
【００２７】
第２の動作条件の間、短絡制御部１２２は、バルブ１０４を、燃料電池１０への燃料ガス１０５の実質的に連続的な供給を許容する状態に維持する。この繰返し且つ周期的な短絡は、燃料電池のそれぞれを“条件付け”されたものと推測され、即ち、そのような短絡は、ＭＥＡ５０に利用し得る水の量を増加し、これに応じてＭＥＡの特性を向上させるものと思われる。短絡はまた、ＭＥＡ上に設けられた拡散層から過剰な水を蒸発させるのに十分な熱消費の短時間増加をもたらすものと考えられる。この水の蒸発は、外気空気からより多くの酸素を、ＭＥＡのカソード側に利用可能なものとする。原因が何であれ、短絡が、ＭＥＡの陽子伝導性を高めるものと思われる。陽子伝導性のこの増加は、時間の経過によりゆっくりと消失する燃料電池のパワー出力の瞬間的な増加をもたらす。燃料電池１０の電気パワー出力の全体増加は、個々の燃料電池１０及びグループの燃料電池１０を調節的に順次、且つ周期的な短絡によって制御されるので、全体が直列に接続された燃料電池のグループの、全体的パワー発生能力を増加させる結果となる。上に記した通り、それぞれの短絡制御回路１２０は、直列に接続された各燃料電池１０と個別に作動的に接続されており、単一の燃料電池及びグループとしての燃料電池のために動作可能とすることができる。これに加えて、それぞれの燃料電池のデューティ及び動作サイクルは、個々の燃料電池の特性によりそれの特性を向上させること、または、任意グループの燃料電池又は個々の燃料電池の低下した特性を、ケース毎に違うが、安定させる目的で、如何なる数の異なる組み合わせ及びそれぞれ個別の期間に調節することができる。
【００２８】
【作用】
本発明の、上に説明した実施例の動作は以下の説明で容易に明らかになるであろう。ここで、その動作を簡単に説明する。
【００２９】
最も広い意味では、本発明は、アノード５２とカソード５３とを有すると共に、任意の電流及び電圧出力を有する電気パワーを発生する燃料電池１０に関する。燃料電池１０は制御部１２２を有し、該制御部１２２は燃料電池に電気的に接続されており、燃料電池のアノードとカソードの間の電流を短絡する。既に記した通り、制御部１２２は電圧センサー１２３と電流センサー１２８を有し、これらは、燃料電池１０の電気パワー出力に対して電圧及び電流検出可能な状態に設けられている。制御部１２２は更に、開放及び閉鎖電気状態を有する電気的なスイッチを有する。制御部１２２は、第１の動作条件において、電圧及び電流センサーによって燃料電池１０の任意電気パワー出力を検出することに基づき、バルブ１０４を、燃料ガス１０５の供給に対して所定量の阻止関係となるようにする。この第１の動作条件においては、電気的スイッチは、燃料電池１０の所定特性パラメータ如何によって、開放電気状態又は閉鎖電気状態の何れかに設定されれば良い。上に記した通り、第１の動作条件においては、特性パラメータが一致しない場合、制御部１２２はこれに応じて電気的スイッチを閉鎖する。この閉鎖されたスイッチは、燃料電池のアノードとカソードの間の電流を短絡する。これとほぼ同時に、制御部１２２は、この状態にあるときは、バルブ１０４を燃料電池への燃料ガスの供給を停止するようにする。既に記した通り、燃料電池１０の電圧出力が約０．４Ｖより低いときは、電気的スイッチは閉鎖位置となり、アノードとカソードの間の電圧を短絡し、また同時に、バルブを燃料ガスの供給を停止するようにする。本願で既に説明した通り、負の水和降下は過度の熱を生じ、これはＭＥＡへ損傷を与えることになる。第１の動作条件において、短絡制御回路１２０は、電流を短絡し、これによりこの損傷を防ぐように動作する。勿論、第１の動作条件の引き金となる特性パラメータには、特性パラメータの低下、または他の燃料電池によって達成されている特性パラメータとの比較による特性パラメータの低下が含まれる。ここに挙げられていない更に他のパラメータを用いることもできる。
【００３０】
短絡制御回路１２０は、既に説明した通り、ダイオード１２７からなる受動バイパス電気回路１２６を有する。燃料電池が故障したことに伴って短絡制御回路１２１が故障した場合、バイパス電気回路は、短絡制御回路を、上に述べた損傷が起こらないようにさせる。選択されたダイオード１２７は、燃料電池１０がパワーを発生しているときは、通常は逆バイアスとなっており、通常の動作条件のもとでは、短絡制御回路１２１に何ら影響を与えない。しかしながら、燃料電池１０が故障し、電圧出力が０に近づき、または負になると、ダイオード１２７は順方向バイアスとなる。電圧は燃料電池１０に代わってダイオード１２７を通って流れることになる。負電圧の最大値は、選択されるダイオードの形式によって異なる。型番８５ＣＮＱ０１５として商業的に入手可能なショットキーバリアダイオードが好ましい。これらのダイオードは、約０．３Ｖで大きな電流を流すことができる。この電圧制限は、燃料電池の最大正負電圧を制限するものであり、これにより、過熱及びこれに伴う損傷を防止することができる。
【００３１】
第２の動作条件において、短絡制御部１２２は、図４に参照番号１３０で示されるロジックを実行することにより、電気的スイッチ１２４が閉鎖状態のとき、燃料電池のアノード５２とカソード５３の間の電流を短絡し、また同時に、短絡制御部が電気的スイッチを周期的に開放及び閉鎖することにより、燃料電池に対してほぼ連続的な燃料の供給を許容するような状態にバルブ１０４を維持する。既に記した通り、燃料電池１０はデューティサイクルと、約０．０１秒から約４分の動作サイクルを有する。我々発明者は、デューティサイクルの間の電気的スイッチの開放及び閉鎖による周期的短絡が、燃料電池１０の全体的な電気パワー出力を増加させることを発見した。これは、直列に接続された燃料電池の電圧及び電流出力を、少なくとも約５％増加させる結果をもたらす。デューティサイクルの短絡期間は、動作サイクルの約２０％より短い。
【００３２】
本願燃料電池１０とこれに関連した回路１２１は、アノード５２とカソード５３を有し、更に任意の電圧及び電流出力を有する燃料電池１０を制御するための便利な方法を提供する。その方法は、
燃料電池のアノード５２に対して流体移動可能な関係で、燃料ガス１０５の供給手段を提供する過程と、
燃料ガス１０５の供給手段に対して、調節可能で流量測定可能な関係に設けられたバルブ１０４を提供する過程と、
アノード５２及びカソード５３に対して電流及び電圧検出可能に電気的に接続され、アノードとカソードの間の電流を短絡するようになっており、更に、バルブ１０４に対して制御可能に結合されている制御部１２２を提供する過程と、
制御部１２２の手段によって、燃料電池１０の電圧と電流が所定値より低い電圧及び電流出力であるか否かを決定する過程と、
電圧及び電流出力を決定する過程の後の、もし電圧及び電流出力が所定値より低いなら、制御部１２２によりアノード５２への燃料ガス１０５の流れを停止するようにバルブ１０４を調節する過程と、
もし電圧及び電流出力が所定値より低いなら、制御部１２２により燃料電池１０のアノード５２とカソード５３の間の電流を短絡する過程とを有する。既に説明した通り、上に記した方法は、燃料電池の特性低下（予め決められた所定の特性パラメータに関する特性低下、あるいは、他の燃料電池の特性パラメータとの比較による特性低下、さらにはその他の特性低下）が、熱蓄積の増加又は燃料電池１０内の他の好ましくない環境条件による燃料電池の損傷を引き起こす第１の動作条件において有益である。
【００３３】
さらに、本発明は、アノード５２、カソード５３、任意の電圧及び電流出力、及びデューティサイクル及び動作サイクルを有する燃料電池１０を、第２の動作条件において制御する方法を提供するものである。該方法は、
燃料電池のアノード５２に流体移動可能な状態で燃料ガス１０５の供給手段を提供する過程と、
燃料ガス１０５の供給手段に対して、調節可能で流量測定可能な関係に設けられたバルブ１０４を提供する過程と、
アノード５２及びカソード５３に対して電流及び電圧検出可能に電気的に接続され、燃料電池のアノードとカソードの間の電流を短絡するようになっており、更に、バルブ１０４に対して制御可能に結合されている制御部１２２を提供する過程と、
燃料電池の電圧及び電流出力を決定した後で、且つ燃料電池のアノードに燃料ガスのほぼ連続的な供給を確実にする位置にバルブを維持したままで、デューティサイクルの間に、電気パワー出力を増加させるように、アノードとカソードの間の電流を周期的に短絡する過程であって、動作サイクルが約０．０１秒から約４分であり、また、デューティサイクルにおける短絡期間が動作サイクルの約２０％より短い、周期的に短絡する過程とを有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明によるＰＥＭ燃料電池モジュール及びこれと合致するサブラックの関連部分の部分的斜視分解側面図である。
【図２】 図２は本発明で用いられるＰＥＭ燃料電池モジュールの部分的分解斜視図である。
【図３】 図３は本発明に用いられる電気回路を極めて簡略化して示した図である。
【図４】 図４は図３の電気回路の動作を示すコンピュータプログラムのフローチャートである。

Claims (10)

1. アノードとカソードを有し、電気パワー出力を発生する少なくとも一つの陽子交換薄膜を有する燃料電池であって、該燃料電池は、
   前記燃料電池のアノードに対して流体移動可能な関係に設けられた燃料ガス供給装置と、
   前記少なくとも一つの陽子交換薄膜と電気的に結合された制御装置であって、前記少なくとも一つの陽子交換薄膜のアノードとカソードの間の電流を周期的に短絡し、そしてその後、前記少なくとも一つの陽子交換薄膜によって発生した電気パワー出力の増加を検出するために、前記少なくとも一つの陽子交換薄膜の前記電気パワー出力を測定する制御装置と、
   を具備することを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、前記燃料ガスの供給装置は、前記制御装置が前記アノードとカソード間の電流を短絡している間、前記陽子交換薄膜のアノードに対して燃料ガスを継続的に供給することを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１に記載の燃料電池において、前記少なくとも一つの陽子交換薄膜は、該薄膜によって発生する電圧及び電流出力からなる特性パラメータを有し、前記制御装置は、前記特性パラメータが低下しているとき、前記少なくとも一つの陽子交換薄膜のアノードとカソードの間の電流を短絡し、該短絡が、前記少なくとも一つの陽子交換薄膜の特性パラメータを向上させることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１に記載の燃料電池において、前記少なくとも一つの陽子交換薄膜は、該薄膜によって発生する動作上任意の電圧及び電流出力からなる特性パラメータを有し、前記アノードとカソード間の電流の短絡は、それが終わったとき、前記少なくとも一つの陽子交換薄膜の電気パワー出力を増加させるものであることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項４に記載の燃料電池において、前記燃料電池は複数の陽子交換薄膜を有し、前記制御装置は、燃料電池の累積電気パワー出力を増加させるために、個々の陽子交換薄膜の電気パワー出力を短絡するように動作することを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１に記載の燃料電池において、前記燃料電池は複数の陽子交換薄膜を有し、更にデューティサイクル及び動作サイクルを有し、前記制御装置は、デューティサイクルの間、前記少なくとも一つの陽子交換薄膜によって発生した電流を短絡し、電気パワー出力を増加させることを特徴とする燃料電池。
7. 請求項６に記載の燃料電池において、前記動作サイクルは０．０１秒から約４分であり、前記燃料電池の電気パワー出力は最終的には５％増加し、デューティサイクル間の短絡の期間は動作サイクルの約２０％より短いことを特徴とする燃料電池。
8. 請求項１に記載の燃料電池において、該燃料電池は、電気的に互い直列に接続された複数の陽子交換薄膜を有し、前記制御装置は各陽子交換薄膜と電気的に結合しており、各陽子交換薄膜の各電気パワー出力を所定の繰り返しパターンで短絡させるように動作することを特徴とする燃料電池。
9. 請求項１に記載の燃料電池において、前記制御装置は、
   前記少なくとも一つの陽子交換薄膜に対して電圧及び電流検出可能に設けられる電圧及び電流センサーと、開放電気状態及び閉鎖電気状態を有する電界効果トランジスタと、該電界効果トランジスタが故障したとき、前記少なくとも一つの陽子交換薄膜のアノードとカソードの間の電流を短絡するように動作するパッシブバイパス回路とを有し、前記制御装置は、前記少なくとも一つの陽子交換薄膜が所定の電圧及び電流出力であることの検出に応じて、前記電界効果トランジスタを開放又は閉鎖電気状態にすることを特徴とする燃料電池。
10. 請求項１に記載の燃料電池において、該燃料電池は、燃料ガス供給装置から燃料ガスが供給されたときに電気パワー出力を発生する、電気的に互いに直列に接続された複数の陽子交換薄膜を有し、前記燃料電池は更に、前記燃料ガス供給装置と、前記複数の陽子交換薄膜のそれぞれに対して流量制御可能な関係に設けられたバルブを有 し、前記制御装置は個々のバルブに対して制御可能に結合されており、そして、動作中、前記複数の陽子交換薄膜の少なくとも一つの薄膜の電流を短絡した後、そして少なくとも一つの陽子交換薄膜の故障の直ぐ後で、電気パワー出力を増加させるために、前記制御装置は、前記少なくとも一つの陽子交換薄膜への燃料ガスの流れを、残りの陽子交換薄膜への燃料ガスの流れは同時に維持したままで実質的に中断するように、前記少なくとも一つの陽子交換薄膜への燃料ガスの供給を制御する前記バルブを調節するように動作することを特徴とする燃料電池。

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