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技術 小型マ二ホールドを有する予備用燃料電池発電機およびその運転管理方法

出願人 エレクトロパワーシステムズエスピーエー
発明者 ケルキ、ピエルパオロメルカンテ、ルカムッソ、アンドレーアチェッファ、ダリオボレッロ、ルイーザジャノリオ、ジュゼッペ
出願日 2010年2月11日 (11年0ヶ月経過) 出願番号 2011-549567
公開日 2012年8月2日 (8年6ヶ月経過) 公開番号 2012-517682
状態 未査定
技術分野 燃料電池(本体) 燃料電池(システム)
主要キーワード 瞬間最大値 漏洩テスト 作業電流 凝縮チャンバ 電子バルブ スタック要素 陽極回路 公称条件
関連する未来課題
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図面 (11)

課題・解決手段

本発明は、公共電力網からの供給がない場合の予備用に特に設計された、燃料電池発電機に関する。本発明によれば、発電機は、燃料電池スタックと、第1と第2の反応物質の流れをそれぞれ減圧する手段を備えてスタックにその第1と第2の反応物質の流れを供給する手段と、第1および第2の反応物質の流れとそれぞれの冷媒ループを介する少なくとも1つの冷媒流体の流れとをスタックに流すマ二ホールドと、を備える。マ二ホールドは、反応物質の流れを対応する再循環生成物流と混合するための内室を備え、また冷媒流体膨張室を備え、そこでは第1と第2の反応物質の流れの減圧手段が少なくとも部分的に冷媒流体に浸漬されている。本発明は更に、発電機の起動と停止の方法と、燃料電池フラッディングを検出する方法と、発電機内ガス漏洩の存在を検出する方法とに関する。

概要

背景

燃料電池は、水素エネルギーベクトルとして利用する技術手法で最も将来性のあるもののひとつである。それは、電気化学的な反応を利用して、化学エネルギ電力へ変換できる装置である。

1つのPEMセルでは、陽極陰極のそれぞれにおける半反応が2つ同時に発生する。PEM燃料電池の陽極と陰極は電解質で分離され、その電解質は典型的にはプロトンを電導するスルフォン化ポリマ膜で構成され、その反対側は好適な触媒混合物(例えば白金べースのもの)で被覆されている。

電解質は通常、イオン輸送流体(例えば、水)で飽和されていて、水素イオンが電解質を通って陽極から陰極へ移動することができる。

燃料電池で起きる全体の反応は、
(1)2H2+O2→2H2O
であり、発熱電気エネルギの発生を伴う。これは、陽極における半反応、
(2)2H2→4H++4e−
と、陰極における半反応、
(3)O2+4H++4e−→2H2O
の総和によるものである。

この時陽極では水素が供給され、これが触媒層内拡散して水素イオンと電子に分離し、電子は触媒膜を透過しないので、外部電気回路を通って陰極に移動して電流を生成し、対応する電位差を生じる。陰極では酸素を含むガス混合物が供給され、これが電解質を通して移動してきた水素イオンと、外部電気回路を通ってきた電子と反応する。

プロトンは水分子のお蔭で高分子膜を通過できるので、反応性ガス加湿されていることが必要である。加湿の度合いが低すぎると陽極室から陰極室へのプロトンの移動量が減少し、結果として燃料電池の性能が悪化する。また逆に加湿の度合いが高すぎると触媒部への吸蔵が起きて、燃料電池性能が結果的に劣化する。

反応(1)には明確に画定された電圧関与し、高電圧を得るために通常複数の要素を直列接続してスタックとする。

このスタックの他に、公共電力網からの供給がない場合の予備用として設計された燃料電池発電機は、流体回路ポンプ配管デシペータなど)、ガス流の供給・放出回路水素供給配管酸素供給配管など)、制御システム制御ユニット温度計流量計圧力計アクチュエータなど)を備えている。燃料電池発電機のその他の部分を構成する上記の要素集合を、本明細書においては、BoP(つまり“バランスオブプラント”(Balance of Plant))と称する。

スタック通路と燃料電池発電機の他の主要な要素(例えば、反応物質源)との間の流体接続を形成するすべての要素の集合は、一般的にかなりの大きさを占め、システム全体の荷重の大半を占める。更に、その部分の組み立てに要する時間は、全体システムを組み立てる時間のかなりの部分を占める。そうして、この組み立て時間は、燃料電池発電機の全体コストに直接的に影響する。図1は既知の燃料電池発電機の外観を示したもので、スタックは複数の管路に接続され、その管路を通して反応物質が燃料電池へ供給され、また反応生成物は2つの流れに分けられて、一方はスタックに再循環され、もう一方はシステムから完全に排出される。

ただしこれに対する解決策は周知であり(例えば、米国特許第6541148号明細書)、燃料電池発電機にマ二ホールドを設けてこの欠点を部分的に対策しようとしている。マ二ホールドは、スタックと流れを連通し、マ二ホールドの中にセパレータを更に備えて、流れの少なくとも1つから水を回収して、全体の大きさのある程度の低減を果たしている。

更に、米国特許第6875535号明細書では、流体の状態を監視するための複数の監視装置を収容できるようになった複数のポート流体通路とを有するマ二ホールドの提供を教示している。

マ二ホールドを含むそのような構成は、陽極および陰極の排気流の所定の一部をスタックに再循環させて、燃料電池に供給される反応物質の流れの湿度発電機の適正な運転適合した所望範囲内の値に維持するシステムに特に好適である。この場合、マ二ホールドは混合室を備えていてもよく、そこでは、乾燥した新しい反応物質流が、燃料電池内の電気化学反応により生成される水の一部を含む再循環排気流と混合される。

しかしこの構成では、幾つかの理由で湿度調節と制御が複雑となっている。

第1に、陽極室および陰極室に供給される新しい反応物質は、マ二ホールド中のそれぞれの混合室に至る前に膨張する。その結果、温度が低下し、室温より低くなることもしばしばである。その結果、この乾燥して冷えた流れが、マ二ホールドの混合室内で再循環した高湿の排気流と混合されると、温度が低いために排気流中の水分を余計に凝縮させ、マニホールドを出てスタックに入る流れの湿度を不要に低下させる。これはスタックを正常に動作させるのに必要な燃料電池の湿度を確保するには乾燥し過ぎとなってしまう。従って、外部加湿手段が必要となり、このことがBoPの複雑さを不利に増大させ、その据え付け、および所定のメンテナンスに要する時間に影響を及ぼす。更に、変数が多いほど、発電機を監視する制御システムはより複雑となり、コストの上昇と信頼性の低下の両方で不利となる。

第2には、燃料電池スタックは、ガス反応物質を運び、排気流を陽極室と陰極室のそれぞれの再循環ループ排水器運ぶ流体回路の一部であるばかりでなく、第2の流体回路にも組み込まれている。そこでは電気化学反応によってスタック中に発生した熱を除去するための冷媒流体が流れ、更に冷却可能な流体、またはラジエータ等のような冷却集団、あるいはそれらの組合せに対して、熱を放出する。

この観点で、スタックと冷媒を含む熱の流れは、完全に制御及び監視することが必要である。冷媒流スタック要素直接接触するので、その圧力が制御されずに増加すると、燃料電池の構造に損傷を与える可能性がある。結論として、特にスタックから熱を除去によりその温度上昇予期される場合には、冷媒流の圧力は一般に所定の安全値より低く維持されるべきである。

この目的のためには、冷媒用の更なる膨張容器を備える必要がある。不利なことには、このような解決策は、システム構造を更に大型化し、もともと微妙な熱集積バランスにあるものをより複雑にしてしまう。これがまた、前述したように、スタックに供給される流れの加湿にも悪影響を与える。

これまでに述べたことから直ちに推定されるように、これまでに知られている予備用発電システムの実施形態は相対的に高価であって、信頼性を損なわないために正確で入念な定常的なメンテナンスを必要とする。これらは予備的なシステムであるので、つまり時々しか使われないように設計されているので、すべての可動部品(例えば、ポンプ、コンプレッサなど)は整然かつ正確に制御されて、緊急時に使用できないことのないようにしなければならないことを忘れてはならない。

概要

本発明は、公共電力網からの供給がない場合の予備用に特に設計された、燃料電池発電機に関する。本発明によれば、発電機は、燃料電池スタックと、第1と第2の反応物質の流れをそれぞれ減圧する手段を備えてスタックにその第1と第2の反応物質の流れを供給する手段と、第1および第2の反応物質の流れとそれぞれの冷媒ループを介する少なくとも1つの冷媒流体の流れとをスタックに流すマ二ホールドと、を備える。マ二ホールドは、反応物質の流れを対応する再循環生成物流と混合するための内室を備え、また冷媒流体膨張室を備え、そこでは第1と第2の反応物質の流れの減圧手段が少なくとも部分的に冷媒流体に浸漬されている。本発明は更に、発電機の起動と停止の方法と、燃料電池のフラッディングを検出する方法と、発電機内ガス漏洩の存在を検出する方法とに関する。

目的

本発明の一目的は、上記の問題点を克服する、予備用に特別に考案された燃料電池発電機を提供する

効果

実績

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牽制数
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請求項1

燃料電池スタック(5)と、第1と第2の反応物質流をそれぞれ減圧する手段(4a、c)を有し、前記スタックに、前記第1と前記第2の反応物質流を供給する手段と、前記第1および前記第2の反応物質流と、個別の冷媒ループ(36)を通る少なくとも1つの冷媒流体流とを前記スタックに流すマ二ホールド(27)と、を備える燃料電池発電機(1)であって、前記マ二ホールド(27)は、前記反応物質流と対応する再循環生成物流とを混合するための内室を備え、前記マ二ホールド(27)は冷媒流体膨張室(38)を更に備え、前記第1と第2の反応物質流の前記減圧手段(4a、c)は前記冷媒流体膨張室内部において少なくとも部分的に前記冷媒流体に浸漬されていることを特徴とする、燃料電池発電機(1)。

請求項2

前記マ二ホールド(27)は、第1の凝縮室(25)に流体的に連通する第1の混合室(23)と、前記燃料電池スタック(5)を介して第2の凝縮室(26)に流体的に連通する第2の混合室(24)と、を備え、前記第1と第2の凝縮室は、前記スタック(5)と流体的に連通していることを特徴とする、請求項1に記載の発電機。

請求項3

前記第1および第2の凝縮室は、それぞれ前記第1および第2の反応物質流から凝縮した水粒子サイクロン効果による重力で除去するように設計されていることを特徴とする、請求項2に記載の発電機。

請求項4

前記マ二ホールド(27)は、前記第1と第2の凝縮室(25、26)にそれぞれ流体的に連通する第1と第2の排水器(6、7)を更に備えることを特徴とする、請求項2に記載の発電機。

請求項5

前記冷媒流体膨張室(38)はイオン交換樹脂を含むことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の発電機。

請求項6

前記マ二ホールド(27)は、反応物質生成物および冷媒流体の流れに対応する複数のパラメータ計測するのに適合した複数の測定子を備え、かつ、前記発電機(1)は前記スタック(5)全体、及び前記スタック(5)内の単一燃料電池に関する電圧データを取得するのに適合した電圧監視装置(39)を備えることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の発電機。

請求項7

ユーザの電力要求(UPR)を満足するために燃料電池発電機を始動する方法であって、該方法が、(a)前記ユーザに、補助電源APS)と、それに並列して前記燃料電池から得られる燃料電池電源(FCP)とを、それらの合計が前記ユーザの電力要求(UPR)に実質的に等しくなるように提供し、(b)スタック全体の電圧(Vs)と、前記スタック中の各単一電池の個別電池電圧(Vsc)とに関するデータを取得し、(c)前記燃料電池電源(FCP)を漸次増加させ、前記補助電源(APS)を漸次減少させて、両者の合計が前記ユーザの電力要求(UPR)に実質的に等しくなるようにするステップを含み、前記燃料電池の電源(FCP)を増加させる前記ステップ(c)は、前記取得されたデータがメモリユニットに格納されたそれぞれの参照値(Vo,sとVo,sc)よりも大きいことが検出された場合にのみ実行され、かつ前記燃料電池電源(FCP)が前記ユーザ電力要求(UPR)に等しいことが検出されるまでの期間のみに実行されることを特徴とする方法。

請求項8

前記取得されたデータがメモリユニットに格納されたそれぞれの参照値Vo,sとVo,scよりも小さいことが検出された場合に、前記燃料電池電源(FCP)が減少され、前記補助電源(APS)がそれに応じて増加されることを特徴とする、請求項7に記載の方法。

請求項9

前記メモリユニットに格納された前記参照値Vo,sとVo,scが、前記燃料電池の局所的な過熱、および/またはフラッディングを防止するスタック運転条件に対応することを特徴とする、請求項6及び7に記載の方法。

請求項10

燃料電池発電機を停止する方法であって、(a)新しい反応物質をスタックに供給することを中断し、(b)前記スタック温度を計測し、(c)前記燃料電池スタックを冷却し、(d)前記燃料電池スタックから水を排出する、ステップを含み、前記ステップ(c)および(d)は、前記スタック温度がメモリユニットに格納された参照値よりも低いことが検出されるまで同時に実行されることを特徴とする方法。

請求項11

前記ステップ(d)が、(e)燃料電池スタックを電気抵抗に接続し、(f)排気ガスを前記燃料電池スタックへ再循環する、ステップを含むことを特徴とする、請求項10に記載の方法。

請求項12

前記ステップ(c)が、(g)冷媒流体を前記燃料スタックに循環させて熱を除去し、(h)前記除去された熱を前記冷媒流体から少なくとも1つの排熱手段へ放出させる、ステップを含むことを特徴とする、請求項10または11に記載の方法。

請求項13

燃料電池発電機内の燃料電池のフラッディングを検出し、フラッディングを受けた燃料電池を適宜に回復させる方法であって、(a)燃料電池スタック内各燃料電池単一セル電圧データを取得し、(b)平均単一セル電圧(ASCV)と、前記平均(ASCV)の所定のパーセンテージとしての閾値TVoとを算出し、(c)セルの前記単一セル電圧を前記閾値TVoと比較し、(d)前記単一セル電圧が前記閾値よりも低い場合には、燃料電池の流管内の圧力を増加する、ステップを含み、前記ステップ(d)は、(e)前記スタック方向への再循環排気ガス流を増加させる第1のステップと、(f)前記第1のステップの後に、前記スタック方向への再循環排気ガス流を絞って前記スタックへ戻る排気ガスの背圧を生成するようにする、第2ステップと、で実行され、前記ステップ(e)と(f)との間で前記ステップ(c)を繰り返し、かつ前記ステップ(f)は前記単一セル電圧が前記閾値よりもまだ低い場合にのみ実行されることを特徴とする方法。

請求項14

予備用燃料電池発電機にガス漏れがないかどうかを調べる方法であって、(i)所定の時間t1の間漏洩テスト手順を実行し、(j)前記漏洩テスト手順をt1より短い所定の時間t2で繰り返す、ステップを含み、前記ステップ(i)を実行した後、前記ステップ(j)を実行する前に、前記発電機が停止されることを特徴とする方法。

請求項15

前記発電機は、請求項10に記載の方法に従って停止されることを特徴とする、請求項14に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、公共電力網からの供給がない場合の予備用として特に設計された燃料電池発電機に関する。ここでは、複数の燃料電池が積層されてスタックを構成し、可燃性ガス酸化性ガスがそれぞれ燃料電極陽極)と酸化電極陰極)上に供給されて発電が行なわれる。

0002

特に本発明は、プロトン交換膜(PEM)型の燃料電池と、出入りするすべての流体の流れを接続するマ二ホールドとを含む電気化学変換モジュール(ECM)からなる燃料電池発電機に関する。

背景技術

0003

燃料電池は、水素エネルギーベクトルとして利用する技術手法で最も将来性のあるもののひとつである。それは、電気化学的な反応を利用して、化学エネルギ電力へ変換できる装置である。

0004

1つのPEMセルでは、陽極と陰極のそれぞれにおける半反応が2つ同時に発生する。PEM燃料電池の陽極と陰極は電解質で分離され、その電解質は典型的にはプロトンを電導するスルフォン化ポリマ膜で構成され、その反対側は好適な触媒混合物(例えば白金べースのもの)で被覆されている。

0005

電解質は通常、イオン輸送流体(例えば、水)で飽和されていて、水素イオンが電解質を通って陽極から陰極へ移動することができる。

0006

燃料電池で起きる全体の反応は、
(1)2H2+O2→2H2O
であり、発熱電気エネルギの発生を伴う。これは、陽極における半反応、
(2)2H2→4H++4e−
と、陰極における半反応、
(3)O2+4H++4e−→2H2O
の総和によるものである。

0007

この時陽極では水素が供給され、これが触媒層内拡散して水素イオンと電子に分離し、電子は触媒膜を透過しないので、外部電気回路を通って陰極に移動して電流を生成し、対応する電位差を生じる。陰極では酸素を含むガス混合物が供給され、これが電解質を通して移動してきた水素イオンと、外部電気回路を通ってきた電子と反応する。

0008

プロトンは水分子のお蔭で高分子膜を通過できるので、反応性ガス加湿されていることが必要である。加湿の度合いが低すぎると陽極室から陰極室へのプロトンの移動量が減少し、結果として燃料電池の性能が悪化する。また逆に加湿の度合いが高すぎると触媒部への吸蔵が起きて、燃料電池性能が結果的に劣化する。

0009

反応(1)には明確に画定された電圧関与し、高電圧を得るために通常複数の要素を直列接続してスタックとする。

0010

このスタックの他に、公共電力網からの供給がない場合の予備用として設計された燃料電池発電機は、流体回路ポンプ配管デシペータなど)、ガス流の供給・放出回路水素供給配管酸素供給配管など)、制御システム制御ユニット温度計流量計圧力計アクチュエータなど)を備えている。燃料電池発電機のその他の部分を構成する上記の要素集合を、本明細書においては、BoP(つまり“バランスオブプラント”(Balance of Plant))と称する。

0011

スタック通路と燃料電池発電機の他の主要な要素(例えば、反応物質源)との間の流体接続を形成するすべての要素の集合は、一般的にかなりの大きさを占め、システム全体の荷重の大半を占める。更に、その部分の組み立てに要する時間は、全体システムを組み立てる時間のかなりの部分を占める。そうして、この組み立て時間は、燃料電池発電機の全体コストに直接的に影響する。図1既知の燃料電池発電機の外観を示したもので、スタックは複数の管路に接続され、その管路を通して反応物質が燃料電池へ供給され、また反応生成物は2つの流れに分けられて、一方はスタックに再循環され、もう一方はシステムから完全に排出される。

0012

ただしこれに対する解決策は周知であり(例えば、米国特許第6541148号明細書)、燃料電池発電機にマ二ホールドを設けてこの欠点を部分的に対策しようとしている。マ二ホールドは、スタックと流れを連通し、マ二ホールドの中にセパレータを更に備えて、流れの少なくとも1つから水を回収して、全体の大きさのある程度の低減を果たしている。

0013

更に、米国特許第6875535号明細書では、流体の状態を監視するための複数の監視装置を収容できるようになった複数のポート流体通路とを有するマ二ホールドの提供を教示している。

0014

マ二ホールドを含むそのような構成は、陽極および陰極の排気流の所定の一部をスタックに再循環させて、燃料電池に供給される反応物質の流れの湿度を発電機の適正な運転適合した所望範囲内の値に維持するシステムに特に好適である。この場合、マ二ホールドは混合室を備えていてもよく、そこでは、乾燥した新しい反応物質流が、燃料電池内の電気化学反応により生成される水の一部を含む再循環排気流と混合される。

0015

しかしこの構成では、幾つかの理由で湿度調節と制御が複雑となっている。

0016

第1に、陽極室および陰極室に供給される新しい反応物質は、マ二ホールド中のそれぞれの混合室に至る前に膨張する。その結果、温度が低下し、室温より低くなることもしばしばである。その結果、この乾燥して冷えた流れが、マ二ホールドの混合室内で再循環した高湿の排気流と混合されると、温度が低いために排気流中の水分を余計に凝縮させ、マニホールドを出てスタックに入る流れの湿度を不要に低下させる。これはスタックを正常に動作させるのに必要な燃料電池の湿度を確保するには乾燥し過ぎとなってしまう。従って、外部加湿手段が必要となり、このことがBoPの複雑さを不利に増大させ、その据え付け、および所定のメンテナンスに要する時間に影響を及ぼす。更に、変数が多いほど、発電機を監視する制御システムはより複雑となり、コストの上昇と信頼性の低下の両方で不利となる。

0017

第2には、燃料電池スタックは、ガス反応物質を運び、排気流を陽極室と陰極室のそれぞれの再循環ループ排水器運ぶ流体回路の一部であるばかりでなく、第2の流体回路にも組み込まれている。そこでは電気化学反応によってスタック中に発生した熱を除去するための冷媒流体が流れ、更に冷却可能な流体、またはラジエータ等のような冷却集団、あるいはそれらの組合せに対して、熱を放出する。

0018

この観点で、スタックと冷媒を含む熱の流れは、完全に制御及び監視することが必要である。冷媒流スタック要素直接接触するので、その圧力が制御されずに増加すると、燃料電池の構造に損傷を与える可能性がある。結論として、特にスタックから熱を除去によりその温度上昇予期される場合には、冷媒流の圧力は一般に所定の安全値より低く維持されるべきである。

0019

この目的のためには、冷媒用の更なる膨張容器を備える必要がある。不利なことには、このような解決策は、システム構造を更に大型化し、もともと微妙な熱集積バランスにあるものをより複雑にしてしまう。これがまた、前述したように、スタックに供給される流れの加湿にも悪影響を与える。

0020

これまでに述べたことから直ちに推定されるように、これまでに知られている予備用発電システムの実施形態は相対的に高価であって、信頼性を損なわないために正確で入念な定常的なメンテナンスを必要とする。これらは予備的なシステムであるので、つまり時々しか使われないように設計されているので、すべての可動部品(例えば、ポンプ、コンプレッサなど)は整然かつ正確に制御されて、緊急時に使用できないことのないようにしなければならないことを忘れてはならない。

先行技術

0021

米国特許第6541148号明細書
米国特許第6875535号明細書

発明が解決しようとする課題

0022

本発明の一目的は、上記の問題点を克服する、予備用に特別に考案された燃料電池発電機を提供することである。特には、設備コストおよび運用コストの低減を可能とし、発電機の効率と信頼性を向上すると共に同時にサイズの低減も可能とするものである。更に、スタックの冷却回路反応物質供給回路との間の熱集積の効率化を実現する燃料電池発電機を提供することも本発明の目的である。

0023

また、そのような燃料電池ベース予備発電機における、通常の作業条件期間と共に極めて重要な起動・停止の期間における全体効率を向上させる、運転管理方法を提供することも本発明の1つの目的である。

発明を解決するための手段

0024

従って本発明によれば、請求項1に記載の燃料電池発電機が提供される。

0025

具体的には、本発明により、燃料電池スタックと、第1と第2の反応物質流をそれぞれ減圧する手段を備えスタックにその第1と第2の反応物質流を供給する手段と、第1および第2の反応物質流と、それぞれの冷媒ループを介する少なくとも1つの冷媒流体流とをスタックに流すマ二ホールドと、を備える燃料電池発電機が提供される。マ二ホールドは、反応物質流を対応する再循環生成物流と混合するための内室を備え、更に冷媒流体膨張室を備え、そこでは第1と第2の反応物質流の減圧手段が少なくとも部分的に冷媒流体に浸漬されている。

0026

更に、本発明によれば請求項7に従って、ユーザの電力要求(UPR)を満足するために燃料電池発電機を始動する方法が提供される。この方法は、
(a)ユーザに、補助電源APS)とそれに並列して、燃料電池から得られる燃料電池電源(FCP)とを、それらの合計がユーザの電力要求(UPR)に実質的に等しくなるように提供し、
(b)スタック全体の電圧(Vs)と、スタック中の各単一電池の個別電池電圧(Vsc)とに関するデータを取得し、
(c)燃料電池電源(FCP)を漸次増加させ、補助電源(APS)を漸次減少させて、両者の合計がユーザの電力要求(UPR)に実質的に等しくなるようにするステップを含む。本発明によれば、燃料電池の電源(FCP)を増加させるステップ(c)は、取得されたデータがメモリユニットに格納されたそれぞれの参照値(Vo,sとVo,sc)よりも大きいことが検出された場合にのみ実行され、かつ燃料電池電源(FCP)がユーザ電力要求(UPR)に等しいことが検出されるまでの期間のみに実行される。

0027

更に、本発明の更なる別の態様によれば、請求項10に従った、太陽電池発電機停止方法が提供される。この方法は、
(a)新しい反応物質をスタックに供給することを中断し、
(b)スタック温度計測し、
(c)燃料電池スタックを冷却し、
(d)燃料電池スタックから水を外へ排出する、
ステップを含む。本発明によれば、ステップ(c)および(d)は、メモリユニットに格納された参照値よりも低いスタック温度が検出されるまで同時に実行される。

0028

本発明の更に別の態様によれば、請求項13に従って、燃料電池発電機内の燃料電池のフラッディングを検出し、フラッディングを受けた燃料電池をそれに応じて回復させる方法が提供される。この方法は、
(a)燃料電池スタック内各燃料電池単一セル電圧データを取得し、
(b)平均単一セル電圧(ASCV)と、その平均(ASCV)の所定のパーセンテージとしての閾値TVoとを算出し、
(c)セルの単一セル電圧を閾値TVoと比較し、
(d)単一セル電圧が閾値よりも低い場合には、燃料電池の流管内の圧力を増加する、ステップを含む。

0029

本発明によれは、ステップ(d)は、
(e)スタック方向への再循環排気ガス流を増加させる第1のステップと、
(f)第1のステップの後に、スタック方向への再循環排気ガス流を絞ってスタックへ戻る排気ガス背圧を形成するようにする第2ステップと、
で実行され、ステップ(e)と(f)との間でステップ(c)を繰り返し、かつ単一セル電圧が閾値よりもまだ低い場合にのみステップ(f)が実行される。

0030

本発明の別の態様によれば、請求項14に従って、予備用燃料電池発電機にガス漏れがないかどうか調べる方法が提供される。この方法は
(i)所定の時間 t1の間漏洩テスト手順を実行し、
(j)漏洩テスト手順をt1より短い所定の時間t2で繰り返す。
本発明によれば、ステップ(i)を実行した後、ステップ(j)を実行する前に、発電機が停止される。
本発明の更なる特徴と利点とは、添付の図面に関連して与えられる、特定の実施形態に関する以下の記述で明らかとなるであろう。

図面の簡単な説明

0031

既知の太陽電池発電機のスタックに接続された、流体の流出、流入用のパイプ導管の集合体の概略斜視図である。
本発明に一実施形態による、燃料電池発電機の電気化学的変換モジュールにマ二ホールドを介して接続された、流体の流出、流入用のパイプと導管の集合体の概略斜視図である。
本発明による燃料電池発電機の模式図である。反応物質の再循環ループ並びに冷媒ループが示されている。
図3の燃料電池発電機の詳細図であり、マ二ホールドとスタックとの相対的位置関係を示す。
本発明による、燃料電池発電機の電気化学的変換モジュールに組み込まれたマ二ホールドの模式図である。
本発明による、燃料電池発電機のスタックとその監視装置の側面図である。
本発明による漏洩テスト手順の詳細を示すフローチャートである。
本発明による、燃料電池発電機の起動方法の詳細を示すフローチャートである。
燃料電池の規格化された電圧の参照値(実線)を規格化された電流に対してプロットし、対応する、発電機上での実測値特性曲線点線)との比較を示す、定性的なグラフである。
本発明による、燃料電池発電機の停止方法の詳細を示すフローチャートである。

実施例

0032

図3を参照すると、電気エネルギをユーザ8に供給する予備発電機が全体として1で表されている。この発電機1は電気変換モジュール50を備え、電気変換モジュール50は、スタック5状に積層された複数のPEM燃料電池と、マニホールド27と、セル電圧監視(CVM)装置39とを含む(詳細は図4を参照)。発電機は更に、電力調整ユニット22を備える。これはスイッチを交互に動作させてユーザ8へ電力供給を管理し、ユーザ8が発電機1またはその他の非常用電源(例えばバッテリキャパシタなど)のいずれかから電力を受けるようにする。電力調整ユニット22により管理される動作モードに関する更なる詳細は以下で説明される。

0033

化学量論的に過多水素流が、例えば技術的に純粋な水素の円筒からなる供給手段2から発電機1へ供給される。手動操作されるか、制御ユニット(図示せず)によって電気的に制御されるバルブからなるバルブ手段3によって、水素の供給が可能とされる。更に、スタック5に供給される水素流の圧力は、例えば減圧弁から成る減圧手段4a(図5の詳細を参照)で制御される。流入弁3と減圧手段4aは、供給される水素流の流入方向に関して、スタック5よりも上流に配置される。

0034

図3には酸化性ガスの供給手段11が示されている。本明細書で記述するような予備用発電機に関しては、この酸化性ガス供給手段11は好ましくは、例えば加圧シリンダから成る、純酸素加圧供給源から構成されている。酸素は手段11から引出されて、化学量論的に過多の酸素がスタック5へ供給される。上記の水素ガス回路に関して説明したのと同様に、その流れは、手動操作または、制御ユニット(図示せず)での電気的制御によるバルブからなる、好適なバルブ手段3で行なわれる。供給される酸素流の流れの方向に関して、PEM燃料電池のスタック5の上流に、発電機1は減圧手段4c(例えば減圧弁)を更に備えている。これは上記の水素流の場合に用いられるものと同様のものである。

0035

スタックへ供給される水素流は、PEM燃料電池の適正な運転に好適な、ある程度の加湿状態に維持される。これは、PEM燃料電池のスタック5の陽極室に向かう過剰の水素流の内の第1の所定の部分に対する、第1の循環ポンプ9だけで構成される加湿手段によって行なわれる。第1の循環ポンプ9は、再循環される過剰な水素流の第1の部分がスタック5に入る水素流の所定の一部となるように運転が設定され、同じく流入する水素流中に燃料電池のスタックの適切な運転に好適なある程度の湿度(例えば90〜100%)を維持させるようにする。この第1の再循環ポンプ9は、陽極用再循環岐A上で、スタック5の陽極室のすぐ上流に配置される。

0036

同様に、スタック5へ供給される酸素流は、PEM燃料電池の適正な運転に好適な、ある程度の加湿状態に維持される。これは、PEM燃料電池のスタック5の陰極室に向かう過剰の酸素流の内の第1の所定の部分に対する、第2の循環ポンプ10だけで構成される加湿手段によって行なわれる。第2の循環ポンプ10は、再循環される過剰な酸素流の第1の部分がスタック5に入る酸素流の所定の一部となるように運転が設定され、同じく流入する酸素流中に燃料電池のスタックの適切な運転に好適なある程度の湿度(例えば90〜100%)を維持させるようにする。この第2の再循環ポンプ10は、陰極用再循環岐C上で、スタック5の陰極室のすぐ上流に配置される。

0037

陽極室を出て再循環される過剰水素の第1の部分は、スタック5に入る水素流の少なくとも10%である。

0038

同様に、陰極室を出て再循環される過剰酸素の第1の部分は、スタック5に入る酸素流の少なくとも10%である。

0039

バルブ手段14、15は、それぞれ陽極循環岐Aおよび陰極循環岐C上のポンプ9および10に直列に配置されている。これらのバルブ手段は再循環ポンプの上流と下流の何れに配置されてもよい。通常の運転条件下では、バルブ14、15は開となっているが、異常時、あるいは以下で述べるようにテスト状態では“閉”位置に切り替えられる。

0040

更に、パージバルブ手段16と17が、それぞれ陽極循環岐Aおよび陰極循環岐C上に並列に配置される。パージバルブ手段16と17は、それぞれ陽極室12および陰極室13から、スタック5に過剰に供給されて再循環しない水素および酸素のそれぞれの部分を追い出すようになっている。パージバルブ手段16と17は、手動操作または電子制御されるバルブからなり、および/またはノズルを有するパイプから成っていてもよい。

0041

また、マ二ホールド27に接続されて水排水器6、7が備えられ、それぞれ陽極回路および陰極回路から過剰の水を除去する。水排水器6、7は、当技術分野で周知の構成に比べて寸法を低減する観点から、マ二ホールド27に直接接続可能な設計となっている。

0042

ソース(供給手段)2からの新しい水素および分岐Aを流れる再循環された部分の過剰水素は、マ二ホールド27の入口28、29にそれぞれ供給される。同様に、ソース11からの新しい酸化性ガスおよび分岐Cを流れる再循環された部分の過剰酸化性ガスは、マ二ホールド27の入口30、31にそれぞれ供給される。

0043

マ二ホールド27は、入口28、29に流体的に連通する陽極側混合チャンバ23と、入口30、31に流体的に連通する陰極側混合チャンバ24とを備える。

0044

混合チャンバ23は、スタック5の陽極室に流体的に連通する第1の出口(図示せず)と、陽極側凝縮室25に流体的に連通する第2の出口を有する。

0045

混合チャンバ24は、スタック5の陰極室に流体的に連通する第1の出口(図示せず)と、陰極側凝縮室26に流体的に連通する第2の出口を有する。

0046

凝縮室25、26もまたマ二ホールド27内に備えられ、10μmより大きなサイズの水のクラスタサイクロン効果による重力で除去されるような形状となっている。凝縮された水はその後、マ二ホールド27に直結された水排水器6及び7によって排出される。凝縮室25、26内でサイクロン効果により過剰の水を除去することにより、再循環ポンプ9、10の運転が改善される。凝縮チャンバ25、26から出るガスの第1の部分は、循環ポンプ9、10によって、分岐A、Cを介してスタックへ再循環される。一方、その他の残存部分はパージバルブ手段16、17により排出される。

0047

燃料電池内で発生する電気化学反応は全体として発熱反応であり、生成された熱をスタック5から排除して作業温度を50〜80℃(好ましくは約65℃)の最適範囲内に維持する必要がある。結果として、本発明の請求項1による発電機は、第1の冷媒ループ36と第2の冷媒ループ37とを備えている(図3参照)。

0048

ポンプ18によって循環される冷媒流体は、スタックと直接接触している第1の冷媒ループ内を流れる。スタックから出ると、最初に熱交換器19に送られる。ここで、第2のループ37中を流れている冷媒流体に熱エネルギを渡す。ポンプ18は次に冷媒流体をスタック5に戻す。第2のループ37を流れる液体冷媒は、電力調整ユニット22および熱交換器19の一次冷媒流体から熱を回収する。その後、冷媒流体は、有利にはファンを備えた、ラジエータ20に送られ、そこで冷却される。

0049

上記のマ二ホールド27には、一次冷媒ループ36も組み込まれている。このために、マ二ホールド27は有利には冷媒流体膨張室38を備えており(図5参照)、温度の上昇に伴う冷媒流体圧力の上昇を補償する。その結果、一次ループ36中の冷媒流体圧力は常に500ミリバールより低く維持される。好ましくは、一次ループ内の冷媒圧力は400ミリバールよりも低く維持される。操作を容易にするために、一次冷媒ループ36に冷媒を充填するために、マ二ホールドには開口が備えられている。

0050

本発明の一態様によれば、冷媒流体膨張室38はマ二ホールド27の内部に配置され、水素ガスと酸化性ガスの両方の上記減圧手段4a、4cを収容するように意図された設計となっている。

0051

このように、発電機に供給される新しい酸化性ガスの熱的膨張補償機能が与えられている。詳細を上記したように、急激な圧力低下は、酸化性ガスの温度を室温以下に下げてしまう。その結果、水の凝縮が多くなりすぎて、スタック内の湿度を不要に低下させてしまう。これは、冷媒膨張室38内部に減圧手段4a、4cを配置することにより防止される。そうして、マ二ホールドを出ようとする温かい冷媒流体が、その中に少なくとも部分的に常に浸漬されている減圧手段4a、4cに熱を与えることにより、乾燥した反応物質流を予備加熱する。

0052

すなわち、本発明による冷媒膨張室38の設計及び配置によって、システムの熱集積の改善とシステムサイズの減少の両方が可能となる。減圧手段4a、4cと冷媒流体の間の熱交換が有利に起きて、再循環するガス中に含まれる水が不要に凝縮するのを防ぐばかりでなく、減圧手段がマ二ホールド内部に好適に収納されて、発電機1のトータルサイズを低減して空間のより有効な活用を可能とする。

0053

有利なことには、冷媒膨張室38にイオン交換樹脂が備えられて、冷媒流体の電導度の増加を防ぐ。

0054

マ二ホールド27は高分子材料でできていてもよい。その結果、マ二ホールドそのものは断熱材として作用し、外部温度の変動とは無関係に凝縮現象を容易に制御することが可能となる。好ましくはマ二ホールド27がモプレン(moplen)でできており、その機械的特性物理的特性(例えば、高融点であること)は、スタックの運転条件に常に適合する。金属表面がないことが、ガス反応物質と冷媒流体のいずれもが金属粒子汚染される可能性をなくしている。更には、モールド工程でマ二ホールドを作製し、上記の流体要素を相互に一体形成することにより、コストが大幅に低減される(金属配管に比べて70%もの削減になる)。また、スタックと一体化された流体回路の接続要素としてマ二ホールド27があることで、発電機の組み立てに要する時間を飛躍的に(80%も)低減できる。凝縮室が液体排水器に直結されているので、漏洩の可能性も、氷結の可能性と同様に著しく低減される。更に、液体排水器はサイズを最小化するように設計されており、特に、排水器の浮きの設計により、排水器内の水位がかなり低くてもシャッタが開くようになっている。

0055

有利なことには、出入りする流体の温度、圧力、電導度を計測する複数の測定子が制御を目的として、マ二ホールド27の内部に収納される。その結果、測定子はスタックの直近に配置され、当技術分野において従来用いられている他の構成に比べてより高速でより精度の高い計測が可能となる。また、メンテナンスも容易となる。

0056

本発明によると、燃料電池発電機1はセル電圧監視装置39を更に備え、スタック5のすべての燃料電池のそれぞれから複数の個別の電圧データ収集する。スタック5に直結されている監視装置39は、一連ADCコンバータモジュールから成り、その数は、スタックを構成する燃料電池の数に依存して選択、調整される。各モジュールは1〜20の単一セル電圧のデータをスキャンできるようになっていてもよい。それぞれが16個の単一燃料電池電圧をスキャンできる容量のADCコンバータモジュールが使用されてもよい。

0057

この構成により、一度に全燃料電池に対して1つのCVMを使用する場合の、ピン間距離に係わる公差をより緩くすることができる。

0058

各モジュールが2の累乗に等しい数の電圧データを取得する構成にすると、ソフトウェア側でのデータ記述都合がよい。各モジュールの最大電圧は16Vより低いので、CVM部品は、標準電子部品の通常の低隔離電圧を考慮して保護される。

0059

単一燃料電池のそれぞれと監視装置39との電気的接続は、ばねと金属接触の方式で確保される。組み立てる前に、それらの接触部とばねのすべてに表面処理を施して、電気的な誤接触を起こす可能性のある酸化現象を防止する。

0060

監視装置39が単一の燃料電池から電圧を収集するのに要する時間は約1msである。

0061

監視装置39にはプロセッサ(図示せず)が備えられ、最小燃料電池電圧、最大燃料電池電圧、平均燃料電池電圧および単一燃料電池電圧の標準偏差を計算する数学操作を実行できるようにプログラムされている。これらの、予備電源システムの効率的運用の基本となる情報は、制御システムに送られる。セル電圧監視装置39の各モジュールは、そこに接続された燃料電池に関するすべての電圧データをスキャンし、その運用と制御に必要な対応する数学的処理を約50msで実行することが可能である。

0062

電気のユーザ8は、スイッチングまたは電力調整の手段を介して、スタック5、および、例えば既知のタイプのバッテリ60から成る補助電源あるいはその代替としての制御された放電が可能なキャパシタから、選択的または同時に電力供給を受けることが可能である。このように、スイッチングまたは電力調整の手段は、ユーザがスタックおよび/または補助電力電源から電力の取出しを指令する手段となる。

0063

電力調整ユニット22は、協働する2つの分離したモジュールから成る。
スタック電圧を電気ユーザ8に好適な所与の値(例えば、通信分野でのバックアップアプリケーション用の48V)に安定化させるように適合されたDC/DCモジュール40。
ラインインタラクティブ方式無停電電源装置機能(クラス1)を有するインバータとして作用するDC/ACモジュール41。

0064

従って、電力調整ユニット22のDC/DCモジュール40は対称的な構成を持っており、以下のように定義される複数の運転モードに従って動作させることができる。
出力電圧安定化モード: 一定で連続的な電力生成時に、電力調整ユニット22によって、ユーザが必要とする電流によらず出力電圧が一定に保たれる。
入力電流安定化モード: この構成は起動時(30秒未満の期間)に適用され、スタックに過負荷掛けないようにする。
補助エネルギ源入力電流安定化モード: この構成は、補助エネルギ源が大きな放電を受けて、入力電流をその補助エネルギ源に好適な最大入力電流値に制限する必要のある場合に適用される。

0065

DC/DCモジュール40は、入力電圧範囲が大きいという特殊性を有する。標準的なDC/DCモジュールは通常48V±20%で動作する。しかしDC/DCモジュール40は、37Vから65Vの間の電圧範囲使用可能なように設計されている。

0066

DC/ACモジュール41はまた、3つの異なる運転モードで動作可能なように設計されている。
電圧生成:発電機が孤立発電機およびUPSとして動作している場合。
グリッド接続された電流生成
バッテリ充電器整流停電終わり、発電機の起動時に放電された補助電源を再充電しなければならない場合。

0067

発電機1の異なる運転モードを以下に詳述する。

0068

1.起動
1.1漏洩テスト
燃料電池ベースの予備発電機は爆発性のガスを使用する。従っていかなる漏洩もないようにすることが重要である。

0069

このために、漏洩テスト手順(図6)が実行される。この手順には、事前に閉じられた入口バルブ3とパージバルブ6、7を有する管路と直接的に連通している、マ二ホールド内部に配置された複数の圧力センサ42によって、所定の時間に亘って圧力を計測(これにより圧力勾配を評価)することが、基本的に含まれる。

0070

システムに漏洩がない場合には、陽極回路と陰極回路内部の圧力は、周知のように大気圧まで徐々に下がる(参考圧力勾配)。

0071

従って漏洩テスト手順は、陽極回路と陰極回路にそれぞれのガスを導入し(図6ブロック202)、その時、前述のように入口バルブとパージバルブを閉じて置き(ブロック203)、圧力値データを設定された時間t0に亘り取得する(ブロック204、205)。設定された時間t0の後に、圧力が再度取得される(ブロック206)。取得したデータに基づいて算出される平均圧力勾配(および基本評価値ΔP、すなわち時間t0の間における全体圧力の変化)が参照勾配以上であれば(判定ブロック207)、漏洩テスト手順はシステムに漏洩のないことを示す値を返し(ブロック209)、起動手順へ進むことが可能である。反対にこの比較からシステムに漏えいがあることが示されれば、発電機の操作は中断され、技術的介入が必要となる(ブロック208)。

0072

この漏洩テスト手順は発電機1の起動手順の一部であり、図7を参照しつつ以下にこの詳細を説明する。予備システム主要目標の1つは短時間での起動であるので、比較的短時間(例えば10秒)の圧力の監視で、あまり長い遅延なしに、大きな漏洩のないことが結論付けられる。

0073

本発明の一態様によれば、更に後で説明するように、停止手順の一部として全く同一の漏洩テスト手順が実行される。その段階においては圧力が60秒間も監視され、非常に僅かな漏洩も検出可能である。従って、小さな漏洩のないことも確認することができる。起動時における大きな漏洩のないことを確認することは、発電機を、ユーザに対する予備電力源として、その後すぐに短時間で確実に運転可能とすることである。従って発電機の停止時に更に正確な制御を繰り返すことは、次の停電が起きた場合に、すぐに安全かつ効率的に運転できる状態になっていることを実証するという利点がある。

0074

1.2 “スマート”な起動管
スタックの最大出力電力は、スタック温度、反応物質混合物の加湿状態、スタック内部における液体状態の水の存在、等のいくつかの因子に依存する。通常の連続運転時には、システムがこれらのパラメータを制御するようになっていて、スタック可動最適条件が確保される。しかしながら予備的な使用方法においては、その起動条件予測することはできない。それでも、発電機は任意の温度および加湿条件において、短期間または長期間のシステム損傷を起こすことなしに、可能な限り短時間で起動することが期待されている。

0075

これを行うために本明細書で説明のシステムでは、スタックに要求される電力が各瞬間で適合可能なほぼ最大値に調整され、その時またその条件下で、安全かつ正確な運転が行なわれ、かつ燃料電池に構造的な損傷がないようにする、起動手順が取られる。実際に、間違って適合可能な瞬間最大値よりも大きい電力を供給するようにスタックが要求された場合には、発電機は何とかこの要求に適合することができるとしても、それは1つまたは複数の燃料電池に局所過熱(即ち、“ホットスポット”の発生)を生じる可能性が非常に高い。これはプロトン交換膜に修復不能の損傷を与える可能性がある。この局所的な温度上昇は、過度な要求に対応して燃料電池が最大値に近い電流を供給する場合に発生し、その結果電圧が急激に減少し、場合によってはゼロまたは負電圧にまで達する。

0076

その結果、予備電源の効率及び信頼性は修復不能に損なわれ、次の停電では全く介入できない可能性がある。本発明の起動方法によれば、図8のフローチャートに概略を示すように、前述の漏洩テスト手順が完了(ブロック101)すると、スタック全体の電圧とスタック内の各単一セルの個別セル電圧に関するデータが連続的に取得されて(103)、メモリユニット(図示せず)中に格納されたそれぞれの参照値Vo,sおよびVo,scと比較される(判定ブロック104)。比較の詳細は、例として図9に示されている。ここでは規格化された電圧の参照値が規格化された電流に対してプロットされ、システム上で実測された対応する値(特性曲線)と比較されている。

0077

図9参照曲線としてプロットされている、規格化電流の関数としての規格化電圧の参照値は、適正な発電機の運転を確認するために、意図的に公称条件(例えば、温度:60〜65℃、湿度:90〜100%)でのスタック運転中に得られたデータを基に選択されている。制御システムは、スタック全体電圧Vsと単一セル平均電圧Vscに対し、各参照値Vo,s、Vo,scからの予定変動率PPD)を許容するようにプログラムされている。スタックの公称作業電流(180Aに設定)を達成するのに要する時間を最小化するために、PPDはVsに対しては15%、Vscに対しては20%に設定されてもよい。

0078

PPDを説明すると、燃料電池からの電力要求が電気ユーザ8の要求に等しいかどうかをチェック(判定ブロック106)する前に、スタックの実際の動作点が対応する参照値よりも低い場合には、燃料電池からの電力要求は減じられ(ブロック105)、その一方でスタックの実際の動作点が対応する参照値よりも高い場合には、燃料電池からの電力要求は増加(ブロック105)される。この状態が検証されない限りは、燃料電池から要求される電力は増加され、この状態が最終的に検証されると、起動手順が成功して終了する。スタックが最終的に全出力に到達(ブロック108)するまで、補助エネルギ供給源が必要な付加的な電力を供給して、ユーザ8の電力要求を完全に満たすようにする。起動手順が完了して、ユーザの電力要求のすべてが結果として燃料電池スタックだけで供給されるようになると、補助電源、すなわちバッテリやキャパシタの再充電用に使用される補足的な量の電力供給をスタックは要求される。そうしてそれらの補助電源もまたフル充電されて、再び予備発電機の介入を必要とする事態になった時の使用に備える。

0079

2.運転中の管理
2.1フラッディングを受けた燃料電池スタックの回復方法
監視装置39は、電圧、温度、湿度に関する複数のデータを取得して、スタック5内の単一セルのそれぞれの性能を監視し、これらのデータに基づいて最小セル電圧と単一セル電圧の分布を計算する。更に、これらの情報項目に基づいて監視装置39は、個々の再循環回路のポンプ9、10の速度を調節する。

0080

1つのセルの単一セル電圧が、全単一セル電圧の平均の所定のパーセンテージ(例えば平均値の80%)として計算される閾値TV0よりも小さいことが判明した場合、その単一燃料電池ではフラッディングが起きている可能性が高い。そのような不測の事態が発生した場合には、制御システムはそれに応答して再循環ポンプを最大速度に設定して酸素と水素の流量を増大させる。そうして反応物質回路中の局所圧力を上げて障害の源にとなっているものがもしあればそれを機械的に取り除く。そのような調整によってもその単一燃料電池の動作が改善されない場合には、フラッディングを受けた燃料電池の回復方法が適用される。その詳細を次に述べる。

0081

電圧セル監視装置が、単一燃料電池電圧の減少を検知すると、上述したように制御システムはその回復手順を開始する。燃料電池回復手順は、分岐A、C内のバルブ手段14、15のそれぞれを、ごく短時間(例えば1秒未満)閉じることにより、燃料電池スタック5の内部チャネル内の圧力を上昇させるステップを含む。

0082

回復方法が1つの単一の(陽極または陰極)回路に実装される場合、薄膜破壊を避けるために差圧が所定の最大値に達するとバルブ手段(どちらの回路かによって14または15)が開かれる。この所定の最大値は、500ミリバール、好ましくは400ミリバールに設定されてもよい。

0083

セル電圧が第1の所定値、例えば450mVより低くなると、スタックはその時供用しているユーザから一時的に切断される。ユーザは、スタックが再構築されるまでは、バッテリ等の代替電源による供用を受ける。セル電圧が第一の所定値より低い第2の所定値(例えば300mV)よりも低くなると、警告信号が発せられて発電機の運転が中断される。

0084

2.2スタック温度制御
発電機1は、ファン20の角速度を変えることにより燃料電池スタックの温度を制御するように適合された制御システム(図示せず)を備えている。ファンの角速度は、燃料電池スタック温度測定値と温度の参照値Trefとの差の関数として、増減される。このために、複数の温度センサがマ二ホールドに配置されている。

0085

3. 停止
上述したように、燃料電池内に液体の水が存在すると燃料電池そのものに深刻な損傷を与え、それにより予備発電機の全体効率の低減をもたらす可能性がある。その観点で、最も重要なステップの一つは、予備発電機の停止のステップである。それは、システム内の温度が下がり、燃料電池スタックへのガスの流入は既になくなっていて、蒸気がスタック内で凝縮し、燃料電池内の流れ場チャネル、すなわち、スタック5の燃料電池内部の反応物質と生成物が流れるチャネルを閉塞してしまう可能性があるからである。

0086

このような望ましくない事態になることを防ぐために、図10を参照して以下に説明する、次のような停止手順が実装される。

0087

前述の長い漏洩テスト手順がうまく終了すると(ブロック301)、流入するガス流は切換え弁3によってそれぞれが“閉”位置で遮断される(ブロック302)。新しい反応物質は発電機内には供給されず、切替時にスタック内にあったガスのみが消費され続ける。ユーザはこの時点では発電機1に電気接続をされていないので、切替時にスタック内部に残っているガスを消費するために、電気抵抗が提供される。これは正常な運転条件ではスタックには電気接続されていないが、この環境下で接続される。更に、開放されたままのパージバルブ手段16、17を通して水を排出するようにするために、再循環ポンプ9、10は、オンとなったままである。

0088

マ二ホールド27の内部にある測定子により計測される、スタック5の温度が所定の設定値T0より高い場合には(判定ブロック303)、冷媒ループのポンプ(18と21)とラジエータファン20はオンにされる。温度が低下し、所定の設定値T0に到達するまでは(判定ブロック305)、これらはオンのままである。

0089

T0の値は、環境条件に依存して変化してもよいが、通常20〜35℃の間である。好ましくは、T0は27℃に設定される。

0090

ブロック306に示すように、所定の設定温度に到達すると、パージバルブ手段16、17は閉じられ、再循環ポンプ9、10は、冷媒ループポンプ(18と21)とラジエータファン(22)と共に、スイッチオフされる。

0091

このように、予備用燃料電池発電機の停止方法は、システムの冷却と、開放された状態の排水器(パージバルブ手段16、17)方向への水の移動を支援するためのガス流循環強化(ポンプ9、10はオンのまま保持される)による水の排出とを、同時に行なうステップを含む。この時第1と第2の冷媒流体の流れもそれぞれの管路の中で同時に維持されている(ポンプ18と21はオンのままに保持される)。こうして、温度が水の凝結温度よりはるかに高い設定値にあるうちに、全体の運転が連続的に遂行されるので、システムは、水が凝縮しないうちに最大限の排除を行なう。

0092

この手順は有利には、管路を水のない状態に保持し、次の停電時にフラッディングという不測の事態を排除し、完全に障害のない通路を新しいガス反応物質が流れることができるようにする。

0093

スタンバイチェック
予備的な用途への適用の特徴は、信頼性が非常に高いことと、待機時間に比べて運転時間が短いことである。それ故、発電機の信頼性をチェックするために、制御システムは前以って設定した周期(例えば毎週、毎月、6カ月毎など)での自己診断テストを行なう。3種類のテストが実装される。
補助テスト:補助部品(ポンプ、ファン、電子バルブなど)のそれぞれが選択的にスイッチオンされ、マ二ホールドにあるセンサによってその性能がチェックされる。
−燃料電池スタックテスト: このテストの間には燃料電池スタックからの最小の電力が必要とされ、適切な起動と単一セル性能の両方が制御システムによってチェックされる。
− 発電機テスト: 発電機がスイッチオンされなければならない停電がシミュレートされる。停電は、スタックが公称条件に達するのに要する時間だけ継続する。
これらのテストのいずれかに不合格の場合には、技術支援が必要となる。

0094

本発明による発電機は、当技術分野で周知の解決法に関する幾つかの利点を有している。その中でもとりわけ、システム全体のサイズと重量が大幅に削減されている。この発電機は、送風機特製加湿装置などの煩わしい補助装置を含まないのみならず、発電機の電力と効率が同じだとすれば、本明細書で説明したマ二ホールドの形状と機能は、発電機の大きさをはるかに小さくさせる。本発明の発電機と既知の発電機と直接比較は、図1図2の図面に基づいてすることができる。

0095

本明細書で説明したマ二ホールドの構造および機能の両方の結果として、製造およびシステムの管理と保全をはるかに簡単に行なうことができる。そして更に、起動時間が短縮される。

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