JP6598784B2 - 燃料電池スタックにおけるアノード・ブリード制御 - Google Patents
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Description
燃料送達入口及び燃料送達出口を有する燃料電池スタックであって、
この燃料電池スタックはさらに、膜/電極接合体及び、燃料送達入口と燃料送達出口との間に接続されて膜/電極接合体に燃料を送達する流体流路をそれぞれ有する、複数の燃料電池を備える、燃料電池スタックと、
燃料送達入口と接続され、流体燃料をスタックに送達する燃料送達管と、
燃料送達出口と接続され、スタックから流体を流出させるブリード管と、
燃料送達出口からブリード管に入る流体の量を、(i)測定される燃料濃度、(ii)測定される湿度、(iii)スタック内の燃料電池のセル電圧、(iv)スタック内の燃料電池のインピーダンス、(v)スタック内の燃料電池の抵抗値の、1つまたは複数の制御パラメータに応じて動的に変化させるように構成される、ブリード管に接続される可変オリフィス流量制御デバイスと、
を備える電気化学燃料電池装置が提供される。
可変オリフィス流量制御デバイスはさらに、燃料利用効率を最大化するように、燃料送達出口からブリード管に入る流体の割合を変化させるように構成されるコントローラを含んでもよい。可変オリフィス流量制御デバイスはさらに、燃料電池の性能を補うように、燃料送達出口からブリード管に入る流体の割合を変化させるように構成されるコントローラを含んでもよい。
燃料電池スタックに燃料送達入口及び燃料送達出口を提供することであって、複数の燃料電池が、膜/電極接合体及び、燃料送達入口と燃料送達出口との間に接続されて膜/電極接合体に燃料を送達する流体流路をそれぞれ有する、燃料電池スタックに燃料送達入口及び燃料送達出口を提供することと、
燃料送達入口に接続される燃料送達管を介して、燃料を燃料電池スタックに送達することと、
燃料送達出口に接続されるブリード管を介して、スタックから流体を排出することと、
燃料送達出口からブリード管に入る流体の量を、(i)測定される燃料濃度、(ii)測定される湿度、(iii)スタック内の燃料電池のセル電圧、(iv)スタック内の燃料電池のインピーダンス、(v)スタック内の燃料電池の抵抗値の、1つまたは複数の制御パラメータに応じて動的に変化させるように、ブリード管に接続される可変オリフィス流量制御デバイスを制御することと、
を含む、電気化学燃料電池装置の作動方法が提供される。
コンピュータ・プログラムは、電気化学燃料電池装置のコントローラにロードされる場
合、コントローラに出力信号を与えさせて、燃料送達出口からブリード管に入る流体の量を、(i)測定される燃料濃度、(ii)測定される湿度、(iii)スタック内の燃料電池のセル電圧、(iv)スタック内の燃料電池のインピーダンス、(v)スタック内の燃料電池の抵抗値の、1つまたは複数の制御パラメータに応じて動的に変化させるように可変オリフィス制御デバイスを制御するように構成される、コンピュータ・プログラムが提供される。
ブリード・コントローラ20の制御下では、可変オリフィス・ブリード・バルブ9により、燃料送達出口4からブリード・ライン10に入る流体の割合(「ブリード量」)は、燃料電池スタック2の燃料利用効率を最大化させるように動的に変化させられる。ブリード量の制御が、燃料回路及び/または燃料電池スタックからの1つまたは複数の直接の測定値をブリード・コントローラ20の制御パラメータとして使用して決定されることが、重要な特徴である。測定値には、以下の内のいずれか1つまたは複数が含まれる。
(ii)燃料回路内の湿度(たとえば、相対湿度)
(iii)燃料電池スタック内のセル電圧
(iv)スタック内の燃料電池のインピーダンス
(v)スタック内の燃料電池の抵抗値
燃料濃度及び湿度などの制御パラメータの測定値は、排出出口Dと燃料送達入口3との間、または、吸入入口Sの上流の再循環管内などの、燃料回路内の任意の適切な位置で取得することができる。湿度レベルが高いために測定値が不正確になることを避けるか抑制するために、測定値は、ウォータ・セパレータ12、14、コンデンサ、または熱交換器13のいずれかの下流で取得されることが好ましい。
加される。スタック内のセルの、対応するAC電流または電圧の応答が測定されて、その特定のAC周波数におけるセルまたは複数のセルの、抵抗の、容量性の、及び/または電磁誘導の作用が決定される。試験下でのセルまたは複数のセルの物理的及び化学的プロセスは、異なる特徴的な時定数を有し、したがって、それらは、異なる周波数のAC変動/変調を使用して分析することができる。
(ii)エジェクタ11からの排気流またはエジェクタへの吸入流における燃料濃度
(iii)燃料電池スタックのセル電圧のバランスまたはセル電圧のプロファイル
(iv)燃料電池スタックのセル・インピーダンスまたは抵抗値のバランス/プロファイル
(v)1つもしくは複数の燃料電池または燃料電池スタックの電気化学インピーダンス分光(EIS)分析
ブリード量の制御は、以下の二次測定値に基づくものとすることもできる。
(vii)エジェクタへの吸入流の温度
(viii)吸入流から液体の除去率
それらの測定値のいくつかには、図1の構成に示されるものに対し、追加のセンサ、または位置が変更されたセンサが必要である場合がある。
(a)主として燃料側で、燃料電池スタックの流体感度に応じてブリード量を調整し、
(b)燃料利用効率を最大化することができる。
(iii)燃料送達管6内の水素濃度センサ22によって測定される水素の組成
(iv)燃料送達管6内の温度センサ27及び圧力センサ21によって測定される温度及び/または圧力
(v)燃料電池または燃料電池スタックの電気化学インピーダンス分光(EIS)分析
通常の態様では、センサの配置には柔軟性がある。たとえば、温度及び圧力センサ27、21は再循環管8内、好ましくは、吸入入口Sと、ウォータ・セパレータもしくはコンデンサまたは熱交換機デバイス12、13、14の任意のものとの間(たとえば、デバイス12、13、14の下流)に配置することができる。
測定センサの精度に影響を与える場合があり、避けることが好ましい。同じポイントでの絶対圧力及び温度の測定値と共に、相対湿度の測定値を使用して燃料送達入口3での水蒸気のモル分率を決定することが可能である。0−100%水素センサ22は、同じ管に設置されて、測定流内の水素の全体の割合を決定することが好ましい。測定される水素のモル分率から蒸気のモル分率を減じることにより、排気流の不活性ガスの組成を決定することが可能である。それらの測定値は、CVM測定値から推量される電圧データ、及び変化率に対してモニタリングして、燃料送達入口3での排出ガスの特定の組成の変化に対するセル電圧の感度を決定することができる。
上述のブリード制御燃料電池装置は、燃料を再循環しない燃料電池スタック・システムにも適用することができる。図3は、燃料電池装置40の代替の例示的な構造を示す。装置の対応する特徴には、図1及び2と同じ参照符号を使用し、別様に示されない限り、対応する機能を発揮する。
Claims (31)
- 電気化学燃料電池装置であって、
燃料送達入口及び燃料送達出口を有する燃料電池スタックを備え、
前記燃料電池スタックはさらに、膜/電極接合体及び、前記燃料送達入口と前記燃料送達出口との間に接続されて前記膜/電極接合体に燃料を送達する流体流路をそれぞれ有する、複数の燃料電池を含み、前記電気化学燃料電池装置は、さらに、
前記燃料送達入口と接続され、流体燃料を前記スタックに送達する燃料送達管と、
前記燃料送達出口と接続され、前記スタックから流体を流出させるブリード管と、
前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の量を、(i)測定される燃料濃度、(ii)測定される湿度、(iii)前記スタック内の燃料電池のセル電圧、(iv)前記スタック内の燃料電池のインピーダンス、(v)前記スタック内の燃料電池の抵抗値の、1つまたは複数の制御パラメータに応じて動的に変化させるように構成される、前記ブリード管に接続される可変オリフィス流量制御デバイスと、
前記燃料送達出口と前記燃料送達管との間に接続され、前記燃料送達出口から前記燃料送達入口に流体を再循環させる再循環管であって、前記燃料送達管、前記再循環管、及び前記燃料電池スタック内の燃料流路が全体として燃料回路を規定する、再循環管と、
前記再循環管内に熱交換器とをさらに備え、
前記可変オリフィス流量制御デバイスが前記再循環管に接続され、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流量の割合を制御パラメータに応じて動的に変化させるように構成され、
前記再循環管が、前記燃料送達管のエジェクタを介して前記燃料送達管に接続され、前記再循環管は前記エジェクタの吸入ポートに接続され、前記燃料送達入口は前記エジェクタの排出ポートに接続され、
前記エジェクタが、可変オリフィス・エジェクタであり、
前記電気化学燃料電池装置は、コントローラを介して、前記可変オリフィス流量制御デバイスを通るブリード量に影響を与える前記エジェクタの排出圧力を調整し、
前記コントローラは、前記エジェクタの排出圧力を調整するとともに、前記熱交換器のデューティに影響を与える前記可変オリフィス流量制御デバイスを通る流量の大きさを調整するように構成される、電気化学燃料電池装置。 - 前記可変オリフィス流量制御デバイスがさらに、前記ブリード管に入る流体の割合を、(vi)前記燃料回路内の圧力、(vii)前記再循環管内の温度の、1つまたは複数の制御パラメータに応じて動的に変化させるように構成される、請求項1に記載の電気化学燃料電池装置。
- 前記再循環管が、
前記燃料回路から液体の水を抽出するように構成されるウォータ・セパレータと、
前記燃料回路から水蒸気を抽出するように構成されるコンデンサとの、一方または両方を含み、
前記可変オリフィス流量制御デバイスはさらに、前記ブリード管に入る流体の割合を、前記燃料回路から抽出される水及び/または水蒸気の量に応じて、動的に変化させるように構成される、請求項1に記載の電気化学燃料電池装置。 - 水素濃度センサ、湿度センサ、圧力センサ、温度センサの、1つまたは複数を前記燃料回路内にさらに含む、請求項1に記載の電気化学燃料電池装置。
- 前記センサまたは複数の前記センサが、前記燃料送達管内に位置する、請求項4に記載の電気化学燃料電池装置。
- 前記センサまたは複数の前記センサが、前記再循環管内に位置する、請求項4に記載の電気化学燃料電池装置。
- 前記エジェクタの前記排出ポートと前記燃料送達入口との間の前記燃料送達管内に湿度センサ、温度センサ、及び圧力センサをさらに含む、請求項1に記載の電気化学燃料電池装置。
- 前記エジェクタの前記排出ポートと前記燃料送達入口との間の前記燃料送達管内に水素濃度センサをさらに含む、請求項1に記載の電気化学燃料電池装置。
- 前記可変オリフィス流量制御デバイスがさらに、燃料利用効率を最大化するように、前記ブリード管に向けて前記流量制御デバイスを通る流体の流量が変化するように構成されたコントローラを含む、請求項1に記載の電気化学燃料電池装置。
- 前記可変オリフィス流量制御デバイスがさらに、燃料電池の性能を回復するために、前記ブリード管に向けて前記流量制御デバイスを通る流体の流量が変化するように構成されたコントローラを含む、請求項1に記載の電気化学燃料電池装置。
- 前記再循環管は、
(i)前記燃料回路から液体の水を抽出するように構成されるウォータ・セパレータと、
(ii)前記燃料回路から水蒸気を抽出するように構成されるコンデンサとの、一方または両方を含み、
前記燃料電池装置はさらに、前記ウォータ・セパレータ及び/またはコンデンサによる前記再循環管からの過剰な水の除去量を増大させるように、前記エジェクタの排出圧力を調整するように構成されたコントローラを含む、請求項1に記載の電気化学燃料電池装置。 - 前記可変オリフィス流量制御デバイスはさらに、燃料利用効率を最大にするめに、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の割合を変化させるように構成されるコントローラを含む、請求項1に記載の電気化学燃料電池装置。
- 前記可変オリフィス流量制御デバイスはさらに、燃料電池の性能を補うために、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の割合を変化させるように構成されるコントローラを含む、請求項1に記載の電気化学燃料電池装置。
- 前記燃料送達出口と前記可変オリフィス流量制御デバイスとの間に燃料濃度センサをさらに含み、前記流量制御デバイスは、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の量を、前記燃料濃度センサによって測定される燃料濃度に応じて動的に変化させるように構成される、請求項1に記載の電気化学燃料電池装置。
- 前記燃料濃度センサが、水素濃度センサである、請求項14に記載の電気化学燃料電池装置。
- 前記燃料送達出口と前記燃料濃度センサとの間に、
液体の水を抽出するように構成されるウォータ・セパレータと、
水蒸気を抽出するように構成されるコンデンサとの、一方または両方をさらに含む、請求項14に記載の電気化学燃料電池装置。 - 前記可変オリフィス流量制御デバイスが、ステッピング・モータによって制御され、それにより、前記流量制御デバイスを通る流体の量を制御する、可変オリフィスを有するバルブを備える、請求項1に記載の電気化学燃料電池装置。
- 前記可変オリフィス流量制御デバイスが、前記流量制御デバイス内の機械的絞り弁の位置を変化させる、変調パルス幅の可変デューティ・サイクル制御信号によって駆動可能であり、それによって前記流量制御デバイスを通る流体の量を制御する電磁石を備える、請求項1に記載の電気化学燃料電池装置。
- AC電流または電圧変調を少なくとも1つのセル出力に適用するように構成される電気化学インピーダンス分光分析システムをさらに含み、前記流量制御デバイスが、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の量を、1つまたは複数の周波数で1つまたは複数のセルを測定したインピーダンスに応じて動的に変化させるように構成される、請求項1に記載の電気化学燃料電池装置。
- 電気化学燃料電池装置の作動方法であって、
燃料電池スタックに燃料送達入口及び燃料送達出口を提供することであって、複数の燃料電池が、膜/電極接合体及び、前記燃料送達入口と前記燃料送達出口との間に接続されて前記膜/電極接合体に燃料を送達する流体流路をそれぞれ有する、燃料電池スタックに燃料送達入口及び燃料送達出口を提供することと、
前記燃料送達入口に接続される燃料送達管を介して、燃料を前記燃料電池スタックに送達することと、
前記燃料送達出口に接続されるブリード管を介して、前記スタックから流体を排出することと、
前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の量を、(i)測定される燃料濃度、(ii)測定される湿度、(iii)前記スタック内の燃料電池のセル電圧、(iv)前記スタック内の燃料電池のインピーダンス、(v)前記スタック内の燃料電池の抵抗値の、1つまたは複数の制御パラメータに応じて動的に変化させるように、前記ブリード管に接続される可変オリフィス流量制御デバイスを制御することと、
前記燃料送達出口と前記燃料送達管との間に接続される再循環管において、前記燃料送達出口から前記燃料送達入口に流体を再循環させることであって、前記電気化学燃料電池装置の前記再循環管が、前記燃料送達管、前記再循環管、及び前記燃料電池スタック内の前記燃料流路によって規定される燃料回路を備えた熱交換器を含む、前記燃料送達出口から前記燃料送達入口に流体を再循環させることと、
前記可変オリフィス流量制御デバイスが前記再循環管に接続されることであって、前記再循環管が、前記燃料送達管のエジェクタを介して前記燃料送達管に接続され、前記再循環管は前記エジェクタの吸入ポートに接続され、前記燃料送達入口は前記エジェクタの排出ポートに接続され、前記エジェクタが、可変オリフィス・エジェクタである、前記可変オリフィス流量制御デバイスが前記再循環管に接続されることと、
前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流量の割合を制御パラメータに応じて動的に変化させることと、
前記可変オリフィス流量制御デバイスを通るブリード量に影響を与える前記エジェクタの排出圧力を調整することと、
前記エジェクタの排出圧力及び、前記熱交換器のデューティに影響を与える前記可変オリフィス流量制御デバイスを通る流量の大きさを調整することとを含む、電気化学燃料電池装置の作動方法。 - 燃料送達入口及び燃料送達出口、並びに、膜/電極接合体及び、前記燃料送達入口と前記燃料送達出口との間に接続されて前記膜/電極接合体に燃料を送達する流体流路をそれぞれ有する、複数の燃料電池を含む燃料電池スタックを有する電気化学燃料電池装置であって、前記燃料電池装置はさらに、前記燃料送達入口に接続されて流体燃料を前記スタックに送達する燃料送達管、及び、前記燃料送達出口に接続されてスタックから流体を排出するブリード管、及び、前記ブリード管に接続される可変オリフィス流量制御デバイスを備える、電気化学燃料電池装置において使用するためのコンピュータ・プログラムであって、
前記電気化学燃料電池装置は、前記燃料送達出口と前記燃料送達管との間に接続され、前記燃料送達出口から前記燃料送達入口に流体を再循環させる再循環管であって、前記燃料送達管、前記再循環管、及び前記燃料電池スタック内の燃料流路が全体として燃料回路を規定する、再循環管をさらに備え、前記可変オリフィス流量制御デバイスが前記再循環管に接続され、前記再循環管が、前記燃料送達管のエジェクタを介して前記燃料送達管に接続され、前記再循環管は前記エジェクタの吸入ポートに接続され、前記燃料送達入口は前記エジェクタの排出ポートに接続され、前記エジェクタが可変オリフィス・エジェクタであり、前記電気化学燃料電池装置の前記再循環管が熱交換器を含み、
前記コンピュータ・プログラムは、前記電気化学燃料電池装置のコントローラにロードされる場合、前記コントローラに出力信号を与えさせて、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の量を、(i)測定される燃料濃度、(ii)測定される湿度、(iii)前記スタック内の燃料電池のセル電圧、(iv)前記スタック内の燃料電池のインピーダンス、(v)前記スタック内の燃料電池の抵抗の、1つまたは複数の制御パラメータに応じて動的に変化させるように前記可変オリフィス制御デバイスを制御するように構成され、
前記コンピュータ・プログラムはさらに、前記コントローラに出力信号を与えさせて、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流量の割合を制御パラメータに応じて動的に変化させるように構成され、前記コンピュータ・プログラムはさらに、前記コントローラに、前記可変オリフィス流量制御デバイスを通るブリード量に影響を与える前記エジェクタの排出圧力を調整させるように構成され、前記コンピュータ・プログラムはさらに、前記コントローラに、前記エジェクタの排出圧力を調整させるとともに、前記熱交換器のデューティに影響を与える前記可変オリフィス流量制御デバイスを通る流量の大きさを調整させるように構成される、コンピュータ・プログラム。 - 前記コントローラに出力信号を与えさせて、前記ブリード管に入る流体の割合を、(vi)前記燃料回路内の圧力、(vii)前記再循環管内の温度の、1つまたは複数の制御パラメータに応じて動的に変化させるようにさらに構成される、請求項21に記載のコンピュータ・プログラム。
- 前記コントローラに出力信号を与えさせて、前記ブリード管に入る流体の割合を、ウォータ・セパレータ及びコンデンサの一方または両方によって前記燃料回路から抽出される水及び/または水蒸気の量に応じて、動的に変化させるようにさらに構成される、請求項21に記載のコンピュータ・プログラム。
- 前記燃料回路内の、水素濃度センサ、湿度センサ、圧力センサ、温度センサの、1つまたは複数からの入力信号を受信するようにさらに構成される、請求項21に記載のコンピュータ・プログラム。
- 前記コントローラに出力信号を与えさせて、燃料利用効率を最大にするために、前記ブリード管に向けて前記流量制御デバイスを通る流体の流量を変化させるように構成される、請求項21に記載のコンピュータ・プログラム。
- 前記コントローラに出力信号を与えさせて、燃料電池の性能を補うために、前記ブリード管に向けて前記流量制御デバイスを通る流体の流量を変化させるように構成される、請求項21に記載のコンピュータ・プログラム。
- 前記コントローラに出力信号を与えさせて、燃料利用効率を最大にするために、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の割合を変化させるように構成される、請求項21に記載のコンピュータ・プログラム。
- 前記コントローラに出力信号を与えさせて、燃料電池の性能を補うために、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の割合を変化させるように構成される、請求項21に記載のコンピュータ・プログラム。
- 前記コントローラに出力信号を与えさせて、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の量を、前記燃料送達出口と前記可変オリフィス流量制御デバイスとの間に配置される燃料濃度センサによって測定される燃料濃度に応じて動的に変化させるように構成される、請求項21に記載のコンピュータ・プログラム。
- 前記コントローラに出力信号を与えさせて、流量制御デバイス内の機械的絞り弁の位置を変化させるように適合した変調パルス幅の可変デューティ・サイクル制御信号が生成され、それによって前記流量制御デバイスを通る流体の量を制御するように構成される、請求項21に記載のコンピュータ・プログラム。
- 前記コントローラに、AC電流または電圧変調を少なくとも1つのセル出力に適用させ、かつ、前記コントローラに前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の量を、1つまたは複数の周波数で1つまたは複数のセルを測定したインピーダンスに応じて動的に変化させることで、電気化学インピーダンス分光分析プロセスを実施する命令をさらに含む、請求項21に記載のコンピュータ・プログラム。
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