JP7115835B2 - 高度ハイブリッド電力システム向け燃料電池スタック - Google Patents

Description

本開示は燃料電池およびハイブリッド電力システムの分野に関する。

燃料電池システムはそれらの高エネルギ密度（Ｗｈ／ｃｍ^３）および特定のエネルギ（Ｗｈ／ｋｇ）を考慮してビークル内で使用される。しかし、それらの制限された特定の電力（Ｗ／ｋｇ）に起因して、当該燃料電池システムは、高電力放電を有するエネルギ源を伴うハイブリッド構成で頻繁に結合される。ハイブリッド電力システムの最も一般的な構成はバッテリおよび燃料電池スタックの組合せで構成される。このタイプのハイブリッド電力システムは、相対的に複雑な電力電子回路および当該バッテリおよび当該燃料電池スタックの電圧の事前マッチングを必要とする。

当該２つの電源のマッチングは、動的な振舞いの点で燃料電池と比べてバッテリの異なる性質に起因して、本質的にトレードオフである。結果として、両方の電源を完全に利用するのは不可能である。全てのハイブリッド化は、各電源の幾つかの利益が犠牲となる妥協から構成される。即ち、
・バッテリは、現実的に全ての電圧でより高い電流を生成することができ、反対に、燃料電池が最大電流を伝達するとき、電圧はほぼ半分に減る。
・バッテリの電圧は残存容量に依存して減少するが、燃料電池の電圧は幾つかの因子に依存する。
・バッテリの出力インピーダンスは燃料電池の出力インピーダンスより低い規模のオーダであり、したがって、当該バッテリは理想的な電圧ソースに対してより類似的に振る舞う。

現在、様々なタイプの接続方式が、図１乃至３に示すように燃料電池およびバッテリをハイブリッド化するために使用されている。図１は、燃料電池スタックおよびバッテリの単純な負荷共有デバイスとの接続を示す。この接続方式では、当該ハイブリッド化は、バッテリが参加する電圧で生じ、燃料電池を低効率範囲で動作させる。この種のハイブリッド電力システムは幾つかの欠点をもたらす。即ち、
・当該ハイブリッド化の電圧は当該バッテリの充電の現在状態に依存するだけでなく、負荷電力需要に依存して動的に変化する（高電流放電で、当該バッテリの電圧は高速に低下し、ついで電力が要求されないときに回復する）。
・リチウムベースのバッテリの電圧範囲はセルごとにおおまかに３から４ボルトにわたり、電圧と電流の間の依存性は相対的に低い。燃料電池は、電流が増大すると電圧は静的放電に対して降下するので、様々に振る舞う。したがって、これらの２つの完全に異なるエネルギ源のマッチングはそれらの一方に圧力を与えることとなる。

別の接続方式が図２に示されている。このタイプの接続は、バッテリと負荷共有デバイスの間に配置されたＤＣ／ＤＣステップアップ・コンバータを使用する。当該負荷共有デバイスの電圧はついで、当該ステップアップ・コンバータ出力電圧の設定を変更する外部コントローラによりマッチされる。このソリューションには重要な欠点がある。即ち、
・可変のステップアップ・コンバータの効率は出力電圧設定に依存し、通常は９０％より下である。
・電力アプリケーションで使用されるステップアップ・コンバータは大量の熱を消失し、大型のヒートシンクおよびしばしば強制的な換気を必要とする。強制的な換気は通常、余分な重量、余分な空間および余分な電力消費を意味する。

図３は、バッテリと燃料電池の間の電子スイッチを用いる別の接続方式を示す。このソリューションは、より効率的であるが、主な欠点を有する。即ち、バッテリと燃料電池は、両方が電力を負荷に同時に伝達する範囲を現実的に有さず、バックアップ電源システムとしてのみ有用とされる。このトポロジは他の欠点をもたらす。即ち、
・バッテリが電力を伝達する間に、燃料電池はアイドルである。このように、バッテリはより多くの電流を伝達し、図４で示すように放電率Ｃを増大させ、したがって、その容量をより高い速度で減少させる。この図は、使用される特定の放電率Ｃ（５Ｃ、１０Ｃ、１５Ｃ、２０Ｃ）に依存して、５０００ｍＡｈバッテリセルに対する放電曲線の例を示す。当該容量は最終的に放電率Ｃに依存する。例えば、バッテリが５Ｃの速度（２５Ａ）で放電する場合、取得される最終的な容量はおよそ４８２０Ｗｈであり、２０Ｃのより高い放電率（１００Ａ）に関して、同一のバッテリに対して取得される容量はおよそ４７５０Ｗｈである。
・燃料電池がアイドルになると、その温度が低下する。このように、温度限界内に留まるように実装された低電力モードを有する必要があり、そうでなければ、燃料電池が作動すべきとき、燃料電池により生ずる遅延があり、その内部温度が、要求された電力を提供できるその名目点まで上昇する。

したがって、最適化されたハイブリッド電力システムを実現するために、バッテリと組み合わせて使用される燃料電池スタックが必要である。

燃料電池は通常、スタックを形成する直列化された単一のセルで提示され、各端の導電プレート（即ち、端プレート）を有し、当該単一のセルの全ての電圧の和である電圧を提供する。本開示は、燃料電池スタックを中間電圧でタップするための１つまたは複数の中間導電プレートを有する燃料電池スタックに関し、当該燃料電池スタック自体の物理的条件と、ハイブリッド電力システム内のバッテリを用いたアプリケーションとの両方に関してそれを有利とさせる。特に、ハイブリッド電力システムに適用するとき、当該燃料電池スタックにより、より多くの電力を生成でき、同時に当該燃料電池に関して損傷が少ない（および結果として寿命がより長くなる）。本開示で使用する「導電性」という用語（例えば、「導電性端プレート」、「導電性中間プレート」）は「電気的に伝導性」を指す。

高度ハイブリッド電力システムに対する燃料電池スタックは接触端子を有する第１のおよび第２の導電性端プレートを含み、複数の燃料電池は、直列に接続され、導電性端プレートと、少なくとも１つの接触端子を有する少なくとも１つの導電性中間プレートとの間で積層されるように構成される。各導電性中間プレートは、隣接する燃料電池の間に積層されるように構成される。当該燃料電池スタックはまた、当該燃料電池スタックの各端に配置された端プレートを含んでもよい。

１実施形態では、燃料電池スタックは直列に接続された複数の燃料電池サブスタックを備えてもよい、各燃料電池サブスタックは少なくとも１つの燃料電池を備える。各導電性中間プレートは隣接する燃料電池サブスタックのペアの間に積層されるように構成される。１実施形態によれば、燃料電池サブスタックは複数のバイポーラ・プレートと少なくとも１つの燃料電池を備えてもよく、各燃料電池はバイポーラ・プレートのペアの間に積層される。

別の実施形態によれば、燃料電池スタックは複数のバイポーラ・プレートを含み、各バイポーラ・プレートは隣接する燃料電池の間に配置される。各導電性中間プレートは、バイポーラ・プレートおよび燃料電池のカソードまたはアノードと接触するように積層されるように構成される。

さらに別の実施形態では、燃料電池スタックは複数のバイポーラ・プレートを含み、各バイポーラ・プレートは隣接する燃料電池の間に配置され、各導電性中間プレートは燃料電池のカソードおよび隣接する燃料電池のアノードと接触して積層されるように構成される。当該実施形態では当該導電性中間プレートは、バイポーラ・プレートとして動作し同時に異なる電圧レベルにアクセスするのを可能とする接触端子を提供するという二重の機能を有する。

各接触端子は燃料電池スタックから突出する１つまたは複数の導電タブを備えてもよい。１実施形態では、導電性中間プレートはバイポーラ・プレートおよび当該バイポーラ・プレートから突出する１つまたは複数の導電タブを備えてもよい。

本発明の１態様によれば、（以前に定義された）燃料電池スタックおよびバッテリを備えるハイブリッド電力システムも提供される。当該システムはまた、ハイブリッド化を管理するための制御ユニットを含む。当該制御ユニットは、当該ハイブリッド電力システムが負荷に供給しているとき、当該燃料電池スタックの動作電圧を選択するように構成される。当該動作電圧は、当該導電性中間プレートおよび導電性端プレートの接触端子から取得される。例えば、１実施形態では、当該導電性端プレートの１つをアースに接続してもよく、当該動作電圧が導電性中間プレートの接触端子（またはアースに接続されない、他の導電性端プレートの接触端子）とアースとの間の電圧として定義されてもよい。あるいは、当該動作電圧が、当該燃料電池スタックの２つの異なる接触端子（その場合、複数の異なる可能な組合せがある）の間の電圧として定義されてもよい。

１実施形態によれば、当該制御ユニットは、当該燃料電池スタックの接触端子での電圧の値に依存して当該燃料電池スタックの動作電圧を選択するように構成されてもよい。当該バッテリの電圧をまた、当該動作電圧を選択するとき考慮してもよい。

当該ハイブリッド電力システムはさらに、負荷を当該導電性中間プレートの接触端子および当該燃料電池スタックの導電性端プレートの少なくとも１つの接触端子と接続する複数のスイッチを含んでもよい。当該制御ユニットは、当該負荷に供給するために使用される当該燃料電池スタックの動作電圧を選択するように当該スイッチを動作させるように構成される。

当該ハイブリッド電力システムはまた、当該負荷を当該バッテリと接続するバッテリ・スイッチを含んでもよい。当該制御ユニットは、当該バッテリの電圧および当該燃料電池スタックの動作電圧の値に依存して当該バッテリ・スイッチを動作させるように構成される。

本発明のさらに態様はまた、本開示に従うバッテリおよび燃料電池スタックを備えたハイブリッド電力システムを制御するための方法に関する。当該方法は当該ハイブリッド電力システムが負荷に供給しているとき当該燃料電池スタックの動作電圧を選択するステップを含む。当該動作電圧は、当該導電性中間プレートの接触端子および導電性端プレートから取得される。

１実施形態では、当該燃料電池スタックの動作電圧は、当該燃料電池スタックの接触端子での電圧の値に依存して選択される。当該バッテリの電圧をまた考慮してもよい。

当該方法は、当該負荷に供給する燃料電池スタックの選択された動作電圧が安全な下限より低いかどうかを判定し、その場合当該負荷に供給するように当該燃料電池スタックの接触端子から取得されたより低い動作電圧を選択するステップを含んでもよい。１実施形態では、当該安全な下限は、当該負荷に供給するアクティブ燃料電池の数に比例する値である。

当該方法はまた、当該燃料電池スタック全体の電圧が当該バッテリの電圧より低いかどうかを判定し、その場合バッテリ・スイッチ（８６）を起動して、当該負荷に当該バッテリにより提供されたエネルギを供給するステップを含んでもよい。

１実施形態では、当該燃料電池スタックは直列に接続された複数の燃料電池サブスタック、および燃料電池サブスタックの各ペアの間に配置され各サブスタックと電気的に接触する導電性中間プレートにより構成される。当該燃料電池スタックは、当該端プレートおよび／または当該中間プレートの接触端子にアクセスすることにより電力を提供する。

ハイブリッド電力システムは１つまたは複数のバッテリおよび燃料電池スタックから構成される。当該バッテリは高い電気的負荷に起因して弱くなるので、当該ハイブリッド電力システムは当該燃料電池スタックの導電性中間プレートへのアクセスを切り替える。中間プレート電圧への切替えは中間電圧をもたらす。当該システムはこの時点で、当該燃料電池を損傷することなくより多くの電力を提供することができる。

さらに、中間プレート構成を用いることで、バッテリ電圧が低いとき、燃料電池電力の統合が可能となる。これはまた、燃料電池が過熱に起因してバッテリに不利益をもたらすことなくその名目電力を伝達できることを保証する。（例えば、電力需要が、燃料電池スタックが自力で伝達できるものより多く必要とするので）バッテリが消耗し始める場合、燃料電池スタックへのアクセスを、中間プレートに切り替えて、損傷を生ずることなく電力を伝達し続け、燃料電池のより長い動作寿命をもたらすことができる。

この特定の構成を用いた燃料電池スタックはまた単純かつコスト的に有効なソリューションである。燃料電池スタック内に中間プレートを配置するコストは、燃料電池スタック自体の価格と比べて現実的には無視できる。加えて、使用するプレートを選択する切替えロジックは、ＤＣ／ＤＣステップアップ・コンバータよりも単純で、小型で、安価で、効率的である。ヒートシンクおよびファンのようなステップアップ・コンバータが必要とする追加の要素を取っておくこともできる。本開示の燃料電池スタックはデバッグがより簡単であり、この意味で、その単純さのため、および燃料電池のライフスパンが拡大されるので、保守コストが減る。燃料電池がその最大効率範囲で動作できるようにすることで、コンディショニングの目的（ヒートシンク、ファン、取付金具等）に必要な空間が回避または削減され、これは観測機器室を減らしうる。

当該燃料電池スタックは、燃料電池を用いる任意のデバイスまたはビークル、即ち、燃料電池により電力供給された空中ビークル、燃料電池により電力供給される車、燃料電池により電力供給されるボートまたは燃料電池により電力供給される静的機器にインストールされ適用されてもよい。

説明した特徴、機能、および利点を様々な実施形態において独立に実現してもよく、または、さらに他の実施形態において結合してもよい。それらのさらなる詳細を、以下の説明と図面を参照して理解することができる。

本発明のより良い理解を支援し本発明の１実施形態に明示的に関連する一連の図面が、その非限定的な例として提示され、以下で非常に簡単に説明されている。

先行技術に従うハイブリッド電力システムにおける異なる接続方式を示し、共通直接ハイブリッド化方法を示す図である。 先行技術に従うハイブリッド電力システムにおける異なる接続方式を示し、ＤＣ／ＤＣステップアップ・コンバータを用いたハイブリッド化を示す図である。 先行技術に従うハイブリッド電力システムにおける異なる接続方式を示し、電子スイッチングを用いたハイブリッド化を示す図である。 異なる放電率に対する５０００ｍＡｈ２５Ｃバッテリセル放電曲線を示す図である。 本開示の１実施形態に従う、中間プレートを有する燃料電池スタックの当該構造を表示する図である。 燃料電池サブスタックを形成する当該レイヤの略表現を示す図である。 図５の燃料電池スタックのレイヤの略レイアウトを示す図である。 複数の導電性中間プレートを有する燃料電池スタック別の実施形態を表す図である。 ８個の８ＬｉＰｏバッテリから成るパックに対する４５セル燃料電池スタックマッチングを示す図である。 はそれぞれ４５セルおよび４０セルに対応する位置に配置された２つの異なる中間プレートが提供された８セルバッテリおよび５０セル燃料電池の電圧範囲を表す図である。 ５０００ｍＡｈバッテリセルに対する図４のセル放電曲線、および中間プレートを用いた３つの異なる燃料電池スタック構成の名目電圧を示す図である。 バッテリおよび２中間プレート構成を有する燃料電池スタックにより形成された、ハイブリッド化を管理するハイブリッド電力システムの１実施形態を表す図である。 図１１の制御システムにより実行される例示的な切替えプロセス制御の基本流れ図を示す図である。 別の実施形態に従う、幾つかの導電性中間プレートを有する燃料電池スタックの構造を示す図である。 幾つかの導電性中間プレートを有する燃料電池スタックのさらに別の実施形態を表す図である。

本開示は、ハイブリッド電力システム内のバッテリと組み合わせて使用されるとき高度に効率的である燃料電池スタックに関する。図５は本開示に従う燃料電池スタック１の１実施形態を示す。

燃料電池スタック１は、当該スタックの両端に配置された、カソードとして動作する第１の導電性端プレート２とアノードとして動作する第２の導電性端プレート３とを含む。各端プレート（２、３）に少なくとも１つの接触端子が提供される。当該接触端子は、例えば、当該端プレートに取り付けられた金属部分、当該端プレート自体の統合部分または当該端プレートの拡張であってもよいか、または、図５に示す実施形態におけるように、各導電性端プレートから延伸する１つまたは複数の導電タブ４または半田付けラグとして実装されてもよい。第１の端プレート２および第２の端プレート３の接触端子の間の電圧は燃料電池スタック１により生成された最大電圧である。

燃料電池スタック１はまた、端プレート（２、３）の間に配置された２つ以上の燃料電池サブスタック５に配置された複数の燃料電池７を含む。サブスタック５の各々において、当該燃料電池は互いに電気的に直列に接続されている。燃料電池サブスタック５は次いで直列に接続され、同一の方向を向き、同一の極性を維持する。各燃料電池サブスタック５は少なくとも１つの燃料電池７を含む。図５の実施形態では、燃料電池スタック１は、それぞれ５つの個々の燃料電池７および２つの単一の燃料電池７から構成された２つのサブスタック５を含む。

少なくとも１つの導電性中間プレート６は燃料電池サブスタック５のペアの間に積層される。図５の実施形態では、中間プレート６は２つの隣接するサブスタック５の間に配置される。各中間プレート６にはまた少なくとも１つの接触端子が提供され（図５の実施形態では、１つまたは複数の導電タブ１１、各導電性中間プレート６から延伸するフラップまたは半田付けラグとして実装され、燃料電池スタック１から突出する）、それを通じて、燃料電池スタック１の最大電圧より低い中間電圧を取得することができる。

燃料電池スタック１はさらに、当該スタックの各端に配置された端プレート（１３、１４）を含んでもよい。端プレート（１３、１４）は通常ガラス・ファイバから構成されるが、それらをプラスチックまたは金属材料のような他の材料を用いて製造することができる。これらの端プレート（１３、１４）は、通常、一方の端プレートから他方の端プレートへの寸切ボルトまたは非常に長いねじを用いて当該スタックをコンパクト化するために使用される。当該寸切ボルトまたは非常に長いねじを、隣接する燃料電池の間の接触を改善するために締めることができ、その結果、全てのダクト（水素および酸素）は完全に密閉される。

１実施形態では、燃料電池サブスタック５は、バイポーラ・プレート（図５に示さず）により分離された１つまたは複数の燃料電池７を含む。図６は、略側面図において、燃料電池サブスタック５を形成する様々なレイヤを示す。当該実施形態では、燃料電池サブスタック５は２つの燃料電池７を含む。各燃料電池７はブロック図により表現され、カソード８、アノード９および電解質１０のレイヤにより形成される。１実施形態では、各燃料電池７はバイポーラ・プレート（１２、１２’）のペアの間に積層される。各サブスタック５において、２つの隣接する燃料電池７の間に配置された内部バイポーラ・プレート１２は、図６の中央バイポーラ・プレート１２で観察されるように、１つの燃料電池７の正極および隣接する燃料電池７の負極を形成する。バイポーラ・プレートの利用により、サブスタック５内の燃料電池７の全てを、互いに直列に電気的に相互接続することができる。燃料電池サブスタック５はまた、両端に配置された外側バイポーラ・プレート１２’を含んでもよい。別の実施形態では、これらの外側バイポーラ・プレート１２’の一方または両方が無くてもよい。

図７は、図５の燃料電池スタック１の略レイアウトを表す。サブスタック５内の全ての燃料電池７は直列に接続されている。両方のサブスタックはまた、同一の方位で、サブスタック５の外側燃料電池７のアノード９を他のサブスタック５の外側燃料電池７のカソード８に電気的に接続するそれぞれの外側バイポーラ・プレート１２’を通じて直列に接続される。導電性中間プレート６は両方の外側バイポーラ・プレート１２’の間に積層される。中間プレート６の接触端子１１にアクセスすることで、（導電性端プレート２および３の間の最大電圧Ｖ_ｍａｘより低い）中間電圧を取得することができる。特に、第１の端プレート２および中間プレート６の接触端子（４、１１）の間の電圧

中間プレート６および第２の端プレート３の接触端子（１１、４）の間で電圧

を取得することができる。

燃料電池スタック１の別の実施形態では、複数の中間プレート６を、追加の中間電圧へのアクセスを取得するように積層することができる。図８は、３つのサブスタック５（それぞれ３つの、１つの、および２つの燃料電池を有する）および隣接するサブスタック５を分離する２つの中間プレート（第１の中間プレート６および第２の中間プレート６’）を有する燃料電池スタック１を示す。異なる中間電圧

に接触端子（４、１１、１１’）を通じてアクセスすることができる。

接触端子（１１、１１’）を有する中間プレート（６、６’）を用いて、スタック１の燃料電池はまた、その最も効率的な範囲で動作するようにサイズを決め、所与の量の燃料に対してより長い耐久性を実現することができる。図９Ａおよび９Ｂの例では、異なる燃料電池スタックの８個の８ＬｉＰｏバッテリのパックとのマッチングを示し、（電気効率だけでなく燃料利用効率も考慮した）最も効率的な電圧は０．７Ｖ／セルであり、その範囲に対して、完全な５０セルスタックを用いつつ、当該バッテリは、全体電圧（３５Ｖ）が依然として共有領域外にあるので、それ自体を枯渇するものではない。

図９Ａは、８セルバッテリおよび４５セル燃料電池スタックの動作電圧範囲を示し、どのように電力が中間プレートなしの燃料電池を有するハイブリッド・システムで共有されるかを示す。バー２０は、完全に充電されたとき、４．２Ｖ／セルの電圧（即ち、３３．６Ｖの総電圧、バー２０の右側）を有するバッテリの範囲を示す。バッテリが枯渇しつつあるので、セルごとに提供される電圧が３Ｖ／セル（即ち、２４Ｖの総電圧、バー２０の左側）に低下する。バー２２は燃料電池の電圧範囲に対応する。オープンな回路では、負荷がなく、端末の電圧はおよそ０．９Ｖ／セルである（合計で４０．５Ｖになる）。当該負荷が増大すると、電圧は０．６Ｖ／セル（即ち、２７Ｖ）の下限（損傷のリスクを生ずる前）に低下する。壊れた矢印２４は燃料電池スタック（０．７５Ｖ／セル）の電圧を示し、当該電圧から、完全に充電されたバッテリ（３３．６Ｖ）は（両方の電圧が等しいとき）ハイブリッド・システムを通じて燃料電池スタックを補完し始める。矢印２６は、燃料電池が損傷のリスクを生ずる前にそのより低い電圧限界（０．６Ｖ／セル）にある点を示す。その時点で、バッテリは、燃料電池をその下方の電圧限界未満に強制的に低下させるので、もはや放電されえない。その時点で、燃料電池スタックの中間プレートに切り替えてバッテリの放電を継続するのが好都合である。矢印２８は単純に、燃料電池スタックが正常に動作している中間電圧を示す（中間プレートへの切替えがこの時点で必要されない）。

図９Ｂは、８セルリチウムバッテリの電圧範囲およびそれぞれ４５セル（バー３２）および４０セル（バー３４）の位置に配置された２つの異なる中間プレートを有する５０セル燃料電池（バー３０）の電圧範囲を示す。第１の中間プレートが燃料電池スタック内で選択されるとき、それは４５セル燃料電池スタックとして動作し、第２の中間プレートが選択される場合、燃料電池スタックは４０セル燃料電池スタックとして動作する。図９Ｂは、最初に当該４５セルに対応する中間プレートに漸進的に切り替え、後に当該４０セルに対応する中間プレートに切り替える際に、燃料電池スタックが当該バッテリの現在の電圧に正確かつ漸進的にでき号できるかを示す。

本開示の燃料電池スタック１はまた、ハイブリッド電力システムに適用されたとき、電子機器を簡略化するバッテリに対する完全なマッチを可能とする。図９Ｂは、どのように４０セルスタックに配置された単一の中間プレート構成を用いて、バッテリが３０Ｖ未満であるときに燃料電池の電力をマージさせるかを示す。また、これは、５０セルに対して構成されるときにバッテリに不利益をもたらすことなく燃料電池がその名目電力を伝達できることを保証する。バッテリが３０Ｖの限界に到達するとき（例えば、電力需要が、燃料電池が自力で伝達できるものより多くのものを必要とするので）バッテリが枯渇し始める場合、燃料電池は、損傷を生ずることなく電力を伝達し続けるように、その中間プレートに切り替えることができる。

燃料電池スタック１はまた、バッテリ範囲全体に対して、ハイブリッド電力をバッテリと共有することを可能とする。長期の共有が要求される場合、バッテリは、依然として燃料電池からの寄与を有しつつ、完全に枯渇しうる。

図１０は、５０００ｍＡｈバッテリセルの異なる放電率Ｃに対する図４のセル放電曲線を示す。この図はまた、０．６Ｖ／セルのそれらの名目負荷を受けるときに３つの異なる燃料電池スタック（４０セル、４５セルおよび５０セル燃料スタック）の電圧を示す３つの点線（４０、４２、４４）を含む。この電圧の下では、燃料電池スタックは圧力を受けている。矢印は、バッテリが燃料電池スタックを補完できハイブリッド・システムがしたがって正確に動作できる領域を示す。バッテリが放電されているので、それらの電圧は降下する。バッテリ電圧が点線を下回るとき、当該点線に対応する燃料電池スタックは、０．６Ｖ／セルの名目電圧より下で動作させられるので、圧力のもとに置かれる。

例えば、上方の点線４０のケースでは、５Ｃの放電率を有するバッテリの電圧セルは、それらがそれらの合計５０００ｍＡｈのうち２０００ｍＡｈ（それらの容量の半分より少ない）のみを消費したとき、点４６に到達する。当該５Ｃバッテリセルの電圧が上部の点線４０の下に降下するとき、当該４５セル構成に対応する第１の中間プレートを使用することが望ましい。この点から、当該５Ｃバッテリセルは４５セル燃料電池スタックに効果的に接続される。同様に、当該５Ｃバッテリセルの電圧が（点４８で）中間点線４２より下に降下するとき、当該４０セル構成に対応する第２の中間プレートを使用するのが望ましい。

したがって、図１０の各点線より上の領域は、２つの電源のハイブリッド化を燃料電池スタックに圧力をかけることなく生成しうるバッテリ電圧の領域に対応する。

本開示の燃料電池スタック１では、中間プレート電圧への切替えは中間電圧をもたらす。決定された導電性中間プレート（６、６’）への切替えプロセスは、図１１の例示的な実施形態で示すように制御ユニット７０により実施される。制御ユニット７０は、バッテリ５０および２つの中間プレート（６、６’）を具備した燃料電池スタック１の間のハイブリッド化を管理する。バッテリ５０は、１つまたは複数の電気化学セルを備えた電気エネルギ源として理解されなければならない（バッテリ５０は、直列におよび／または並列に接続されたバッテリの関連付けにより形成されてもよい）。ハイブリッド電力システム９０は、バッテリ５０、燃料電池スタック１、および当該制御ユニットにより形成され、負荷６０に供給する。

燃料電池スタック１の正極（即ち、第１の導電性端プレート２）は負荷６０に直接接続されるが、制御ユニット７０を通じて開閉できる第１のスイッチ８０により制御される。燃料電池スタック１の負極（即ち、第２の導電性端プレート３）はアースに接続される。各中間プレート（６、６’）はまた、中間プレート・スイッチ（図１１の例では、第１の中間プレート・スイッチ８２および第２の中間プレート・スイッチ８４）を通じて負荷６０に直接的に接続され、当該中間プレート・スイッチはまた制御ユニット７０により動作される。

したがって、燃料電池スタック１の電力出力は、少なくとも２つの制御スイッチ、即ち、燃料電池スタック全体を選択するための第１のスイッチ８０および１つまたは複数のサブスタック５により形成された削減された燃料電池スタックを選択するための少なくとも１つの中間プレート・スイッチ（８２、８４）を有する。他方、バッテリ５０は、負荷６０に接続され、制御ユニット７０により運用されるバッテリ・スイッチ８６を通じて燃料電池スタック１の出力に接続される。

制御ユニット７０は、バッテリの電圧（Ｖｂａｔｔ）、燃料電池スタック全体の電圧（Ｖ１）およびサブスタックの電圧（Ｖ２、Ｖ３）の読取値を受信する。これらの電圧の値に依存して、制御ユニット７０は或るスイッチまたは別のスイッチを起動して、以下からの負荷６０への電力フローを可能とする。
－第１のスイッチ８０のみを起動することで、燃料電池スタック全体。
－バッテリ・スイッチ８６のみを起動することで、バッテリ５０。
－中間プレート（６、６’）に関連付けられたスイッチを起動することで、中間プレート（６、６’）の電圧に対応する削減された燃料電池スタック。このように、第１の中間プレート・スイッチ８２を起動して、第１の中間プレート６の電圧を選択する。同様に、第２の中間プレート・スイッチ８４を起動して、第２の中間プレート６’の電圧を選択する。
－燃料電池スタック１のスイッチ（第１のスイッチ８０または任意の中間プレート・スイッチ（８２、８４）のいずれか）に沿ってバッテリ・スイッチ８６を起動することで、バッテリ５０および燃料電池スタック１。

図１２は、図１１のハイブリッド電力システム９０に対する切替えプロセス制御１００の１実施形態を示す。切替えプロセス制御１００は、第１のスイッチ８０（スイッチ１）の起動で開始して、負荷６０に燃料電池スタック１全体により出力された電力のみを供給する。ついで、ユニット・コントロール７０は、燃料電池スタック全体の電圧（Ｖ１）がバッテリの電圧（Ｖｂａｔｔ）より低いかどうかをチェックする（１０４）。その場合、制御ユニット７０はバッテリ・スイッチ８６を起動して（１０６）、燃料電池スタック１を、バッテリ５０により提供された電力で補完する。反対に、燃料電池スタック全体の電圧（Ｖ１）がバッテリの電圧（Ｖｂａｔｔ）より高い場合、燃料電池スタック全体は負荷６０のみに供給し続ける（第１のスイッチ８０は閉じたままであり（１０２）、バッテリ・スイッチ８６は開いたままである（１０８））。

バッテリ・スイッチ８６を起動した後（１０６）、制御ユニット７０は燃料電池スタック全体の電圧（Ｖ１）が安全な下限より低いかどうかをチェックする（１１０）。１実施形態では、当該安全な下限は、各燃料電池の電圧が０．６Ｖのセル限界電圧より下に降下するかどうかをチェックするための、セル限界電圧（例えば、０．６Ｖ）に燃料電池スタック全体１のセルＸの数（図９Ｂおよび図１０の例では５０個のセル）を乗じたものに対応する。実際に当該電圧がより小さい場合、ステップ１１２で、燃料電池スタックの有効なサイズは、第１のスイッチ８０（スイッチ１）を開き、第１の中間プレート・スイッチ８２（スイッチ２）を閉じることで削減される。第１の中間プレート・スイッチ８２（スイッチ２）は第１の中間プレート６に接続される。しかし、燃料電池スタック全体１がセルごとの０．６Ｖの閾値に到達していない場合、制御ユニット７０はステップ１０４に戻り、当該バッテリからの追加の電力を不要とするバッテリ電圧（Ｖｂａｔｔ）の削減がありうるので、当該バッテリが必要とされるかどうかをチェックする。

１つの単一の中間プレート６に対する基本プロセスはステップ１１２で終了し、第１のインスタンスにおいてバッテリ５０が要求されるかどうかをチェックし、後続のステップで、バッテリ電圧（Ｖｂａｔｔ）および有効な燃料電池スタックの電圧に依存して別の中間プレート６’への切替えが必要とされるかどうかをチェックするために繰り返し実行される。当該有効な燃料電池スタックは、第２の端プレート３およびアクティブ中間プレート（即ち、関連するスイッチが起動されている中間プレート）の間で積層された燃料電池により形成される。したがって、図１２の例では、第１の中間プレート・スイッチ８２がステップ１１２で起動された後、制御ユニット７０は、削減された燃料電池スタックの電圧（第１の中間プレートに対応する電圧Ｖ２）が当該削減されたスタックに対する安全な下限（０．６Ｖのセル限界電圧に、図９Ｂおよび図１０の例において４５個のセルにより形成された当該削減された燃料電池スタックのセルＹの数を乗じたもの）より低いかどうかをチェックする（１１４）。その場合、ステップ１１６において、燃料電池スタックの有効なサイズが再度、第２の中間プレート・スイッチ８６（スイッチ３）を起動し第１の中間プレート・スイッチ８２を開くことで削減される。第２の中間プレート・スイッチ８６は第２の中間プレート６’に接続される。しかし、当該有効な燃料電池スタックがセルごとの０．６Ｖの閾値に到達していない場合、制御ユニット７０はステップ１１０に戻って、第１の中間プレート６（即ち、より多くのセルを有する有効な燃料電池スタック）に戻ることが可能かどうかをチェックする。

より多くの中間プレートがある場合、中間プレートを負荷６０に接続した後、制御ユニット７０は、アクティブ中間プレートに対応する電圧が閾値（例えば、セルごとに０．６Ｖ）より低いかどうかをチェックし、その場合、続く中間プレートを負荷６０に接続する。

要約すると、当該切替えプロセス制御では、制御ユニット７０はまず燃料電池スタック１全体をバッテリ５０で補完する必要があるかどうかをチェックし、そうである場合、制御ユニット７０は、削減された燃料電池スタックの電圧がセルごとの０．６ボルトより大きいように後続の中間プレートを選択するのが必要であるかどうかをチェックし続ける。有効な燃料電池スタックのセル電圧が０．６Ｖ／セルより高いことが証明されるたびに、アルゴリズムは、上方のスタック（即ち、より多くのセルを有する有効な燃料電池スタック）に戻ることが可能かどうか、および、バッテリ５０を切断する（１０８）ことが可能かどうかを判定するために逆方向に進む。

図１３は、１つまたは複数の接触端子（１１、１１’）を有する幾つかの導電性中間プレート（６、６’）を伴う燃料電池スタック１の別の実施形態を示す。図７および８に示す例と異なり、この特定のケースでは、燃料電池スタック１は図６のサブセル・スタック５の連続により形成されない。実際、燃料電池スタック１は直列に接続された複数の個々の燃料電池７および連続する燃料電池７の間で配置されたバイポーラ・プレート１２を含む。

図１３の実施形態では、導電性中間プレート（６、６’）は、隣接する燃料電池７の間、およびより具体的には、燃料電池７と接するバイポーラ・プレート１２と隣接する燃料電池７のカソード８との間で配置される。同様に、導電性中間プレート（６、６’）が、燃料電池７と接するバイポーラ・プレート１２と隣接する燃料電池７のアノード９との間で配置されてもよい。

別の実施形態では、図１４に示すもののように、導電性中間プレート（６、６’）は、導電性中間プレート（６、６’）がバイポーラ・プレート１２の機能を提供し接触端子（１１、１１’）も提供するように、バイポーラ・プレート１２を置換してもよい。接触端子（１１、１１’）を通じて、制御ユニット７０は燃料電池スタック１の異なる電圧を選択してもよい。この特定の実施形態では、導電性中間プレート（６、６’）は燃料電池（７）のカソード（８）および隣接する燃料電池（７）のアノード（９）と接触して積層される。あるいは、導電性中間プレート（６、６’）は、バイポーラ・プレート１２から延伸または突出する少なくとも１つの接触端子（例えば、１つまたは複数の導電タブ１１、フラップまたは半田付けラグ）を組み込むバイポーラ・プレート１２により形成し、（例えば、溶接を通じた）ワイヤ接続のセットアップを可能としてもよい。

２０ ８ｓＬｉ－Ｐｏバッテリ
２２ ４５セルＰＥＭＦＣ
３０ ５０セルＰＥＭＦＣ
３２ ４５セルＰＥＭＦＣ
３４ ４０セルＰＥＭＦＣ

Claims (12)

1. ハイブリッド電力システムであって、
   バッテリ（５０）と、
   燃料電池スタック（１）であって、
   接触端子（４）を有する第１の導電性端プレート（２）および第２の導電性端プレート（３）と、
   直列に接続され、前記第１の導電性端プレート（２）と前記第２の導電性端プレート（３）との間で積層されるように構成された複数の燃料電池（７）と、
   少なくとも１つの接触端子（１１、１１’）を有する少なくとも１つの導電性中間プレート（６、６’）であって、各導電性中間プレート（６、６’）は隣接する燃料電池（７）の間で積層されるように構成される、少なくとも１つの導電性中間プレート（６、６’）と、
   を備える、燃料電池スタックと、
   前記ハイブリッド電力システム（９０）が負荷（６０）に供給しているとき前記燃料電池スタック（１）の動作電圧を選択するように構成された制御ユニット（７０）と、
   前記負荷（６０）を、前記燃料電池スタックの導電性中間プレート（６、６’）の前記少なくとも１つの接触端子（１１、１１’）及び前記第１の導電性端プレート（２）の前記接触端子（４）と選択的に接続する複数のスイッチ（８０、８２、８４）と、を備え、
   前記動作電圧は、前記導電性中間プレート（６、６’）並びに前記第１の導電性端プレート（２）および前記第２の導電性端プレート（３）の前記接触端子（４、１１、１１’）から取得され、
   前記制御ユニットは、前記負荷（６０）に供給するために使用される前記燃料電池スタックの前記動作電圧を選択するために前記スイッチ（８０、８２、８４）を選択的に動作させるように構成され、
   前記複数のスイッチ（８０、８２、８４）のそれぞれは、ただ１つの入力端子及び前記負荷に接続されるただ１つの出力端子を備え、前記負荷に供給するのに使用される前記燃料電池の前記動作電圧を選択する際に、前記複数のスイッチ（８０、８２、８４）のただ１つのみが動作され、
   前記燃料電池スタック（１）の前記動作電圧は、前記燃料電池スタック（１）の前記接触端子（４、１１、１１’）の電圧（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）の値に依存して選択され、
   前記負荷（６０）に供給する前記燃料電池スタック（１）の前記選択された動作電圧が安全な下限と比較され、
   現在の動作電圧が前記安全な下限より下にある場合、前記負荷（６０）に供給するように前記燃料電池スタック（１）の前記接触端子（４、１１、１１’）から取得された、より低い動作電圧を選択する、ハイブリッド電力システム。
2. 前記燃料電池スタックは、直列に接続された複数の燃料電池サブスタック（５）を備え、各燃料電池サブスタック（５）は少なくとも１つの燃料電池（７）を備え、各導電性中間プレート（６、６’）は隣接する燃料電池サブスタック（５）のペアの間に積層されるように構成される、請求項１に記載のハイブリッド電力システム。
3. 各燃料電池サブスタック（５）は複数のバイポーラ・プレート（１２、１２’）および少なくとも１つの燃料電池（７）を備え、各燃料電池（７）はバイポーラ・プレート（１２、１２’）のペアの間に積層される、請求項２に記載のハイブリッド電力システム。
4. 前記燃料電池スタックは複数のバイポーラ・プレート（１２）をさらに備え、各バイポーラ・プレート（１２）は隣接する燃料電池（７）の間に配置され、各導電性中間プレート（６、６’）はバイポーラ・プレート（１２）および燃料電池（７）のカソード（８）またはアノード（９）と接触するように積層されるように構成される、請求項１に記載のハイブリッド電力システム。
5. 前記燃料電池スタックは複数のバイポーラ・プレート（１２）をさらに備え、各バイポーラ・プレート（１２）は隣接する燃料電池（７）の間に配置され、各導電性中間プレート（６、６’）は燃料電池（７）のカソード（８）および隣接する燃料電池（７）のアノード（９）と接触するように積層されるように構成される、請求項１に記載のハイブリッド電力システム。
6. 各接触端子（１１、１１’）は、前記燃料電池スタック（１）から突出する１つまたは複数の導電タブ（１１）を備える、請求項１乃至５の何れか１項に記載のハイブリッド電力システム。
7. 前記導電性中間プレート（６、６’）は、バイポーラ・プレート（１２）および前記バイポーラ・プレート（１２）から突出する１つまたは複数の導電タブ（１１、１１’）を備える、請求項６に記載のハイブリッド電力システム。
8. 前記燃料電池スタックは、前記燃料電池スタック（１）の各端に配置された端プレート（１３、１４）をさらに備える、請求項１乃至７の何れか１項に記載のハイブリッド電力システム。
9. 前記制御ユニット（７０）は、前記燃料電池スタック（１）の前記接触端子（４、１１、１１’）の電圧の値（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）に依存して、前記燃料電池スタック（１）の前記動作電圧を選択するように構成される、請求項１から８のいずれか一項に記載のハイブリッド電力システム。
10. 前記負荷（６０）を前記バッテリ（５０）に接続するバッテリ・スイッチ（８６）をさらに備え、前記制御ユニット（７０）は前記バッテリ（５０）の電圧（Ｖｂａｔｔ）および前記燃料電池スタック（１）の前記動作電圧の値に依存して前記バッテリ・スイッチ（８６）を動作させるように構成される、請求項８または９に記載のハイブリッド電力システム。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のハイブリッド電力システムを制御するための方法であって、前記方法は、前記ハイブリッド電力システム（９０）が負荷（６０）に供給しているとき、前記燃料電池スタック（１）の動作電圧を選択するステップを含み、前記動作電圧は、前記導電性中間プレート（６、６’）並びに前記第１の導電性端プレート（２）および前記第２の導電性端プレート（３）から取得される、方法。
12. 前記燃料電池スタック全体の前記電圧（Ｖ１）を前記バッテリの電圧（Ｖｂａｔｔ）と比較するステップ（１０４）と、
    前記燃料電池スタック全体の前記電圧（Ｖ１）が前記バッテリの電圧（Ｖｂａｔｔ）より低い場合、前記負荷（６０）に供給するためのバッテリ・スイッチ（８６）を前記バッテリ（５０）により提供されたエネルギで起動するステップ（１０６）と、
    を含む、請求項１１に記載の方法。

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