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技術 燃料電池および冷却剤貯蔵装置

出願人 インテリジェントエナジーリミテッド
発明者 モグヒミ、シャヒンガードナー、ビンスパルマー、ナタニエルフォスター、シモンラマ、プラタプ
出願日 2015年11月26日 (5年0ヶ月経過) 出願番号 2017-528430
公開日 2018年1月18日 (2年10ヶ月経過) 公開番号 2018-501609
状態 特許登録済
技術分野 燃料電池(本体)
主要キーワード 冷却剤ライン 設定点電圧 寒冷条件 ランプ上昇 冷凍環境 水モジュール 最小流速 伝達膜
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課題・解決手段

燃料流および酸素流から電力を生成するように構成された燃料電池組立体を有する燃料電池システムを動作させる方法において、上記方法は第1フェーズおよび後続の第2フェーズを有し、上記第1フェーズは、電力を生成するために、酸素流に対する燃料流の第1の化学量論的比で上記燃料電池組立体を動作させるステップと、生成された上記電力をヒータ要素に供給して冷却剤を加熱して上記燃料電池組立体に供給させるステップとを有し、上記第2フェーズは、上記第1フェーズにおいて加熱された冷却剤を上記燃料電池組立体に搬送するステップと、電力を生成するために、酸素流に対する燃料流の第2の化学量論的比で上記燃料電池組立体を動作させるステップとを有し、上記第2の化学量論的比は上記第1の比より小さい。

概要

背景

慣用的電気化学燃料電池燃料および酸素電気エネルギおよび反応生成物に変換する。通常のタイプの電気化学燃料電池は膜電極組立体MEA)を有し、これが、アノードおよびカソードの間のポリマーイオン伝達膜ガス拡散構造とを有する。燃料、例えば水素、および、酸素、例えば空気からの酸素がMEAのそれぞれのサイドを越えて通り抜け、電気エネルギと反応生成物としての水を生成する。スタック構造が、多くのそのような燃料電池を個別のアノードおよびカソード流体流路中に配列して形成されて良い。そのようなスタックは、典型的には、当該スタックの各端部において端部プレートによって一体に保持される多数の個別の燃料電池プレートを有するブロックの形態をとる。

ポリマー製のイオン伝達膜は効率的な動作のために水和状態に維持されることは重要である。また、スタックの温度が制御されることが重要である。このため、冷却剤がスタックに供給されて冷却および/または水和が行われる。したがって、燃料電池システムは、例えば、水和および/または冷却のために、水/冷却剤貯蔵タンクを含んで良い。燃料電池システムが氷点下状況で保持されまたは動作させられるならば、燃料電池スタックおよび水貯蔵タンク内の水は凍っている。凍った水は、冷却または水和のための水が燃料電池スタックに供給されるのを妨げる障害になる。これは、とくに、燃料電池システムがオフであり、そのため、水貯蔵タンク中の水がスタックを通じて流れることによる加熱が、もはや、行われなくなり、完全に凍ってしまうときに、問題になる。そのような場合、十分な液状の水が水和および/または冷却のために利用できない。これは、凍った水が溶けるまで、燃料電池組立体が再稼働またはフルパワーで動作するのを阻止する。燃料電池システム中にヒータを設けることが知られており、これは、貯蔵されたエネルギ、例えばバッテリからのエネルギで動作し、燃料電池システムを、ゼロを上回る温度に維持して凍結を阻止する。しかしながら、バッテリ電源には制限があり、燃料電池システムは、バッテリが故障したり、放電状態になったりすると、凍結してしまう。

概要

燃料流および酸素流から電力を生成するように構成された燃料電池組立体を有する燃料電池システムを動作させる方法において、上記方法は第1フェーズおよび後続の第2フェーズを有し、上記第1フェーズは、電力を生成するために、酸素流に対する燃料流の第1の化学量論的比で上記燃料電池組立体を動作させるステップと、生成された上記電力をヒータ要素に供給して冷却剤を加熱して上記燃料電池組立体に供給させるステップとを有し、上記第2フェーズは、上記第1フェーズにおいて加熱された冷却剤を上記燃料電池組立体に搬送するステップと、電力を生成するために、酸素流に対する燃料流の第2の化学量論的比で上記燃料電池組立体を動作させるステップとを有し、上記第2の化学量論的比は上記第1の比より小さい。

目的

オプションとして、上記冷却剤注入制御装置は、上記燃料電池組立体動作の計測値が予め定めた閾値を下回るときに第1モードの動作を提供し、上記燃料電池組立体動作の計測値が上記予め定めた閾値を上回るときに第2モードの動作を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

燃料流および酸素流から電力を生成するように構成された燃料電池組立体を有する燃料電池システムを動作させる方法において、上記方法は第1フェーズおよび後続の第2フェーズを有し、上記第1フェーズは、電力を生成するために、酸素流に対する燃料流の第1の化学量論的比で上記燃料電池組立体を動作させるステップと、生成された上記電力をヒータ要素に供給して冷却剤を加熱して上記燃料電池組立体に供給させるステップとを有し、上記第2フェーズは、上記第1フェーズにおいて加熱された冷却剤を上記燃料電池組立体に搬送するステップと、電力を生成するために、酸素流に対する燃料流の第2の化学量論的比で上記燃料電池組立体を動作させるステップとを有し、上記第2の化学量論的比は上記第1の比より小さいことを特徴とする、上記方法。

請求項2

上記第2フェーズは、生成された上記電力を上記ヒータ要素または異なるヒータ要素に供給して冷却剤を加熱して上記燃料電池組立体に供給する請求項1記載の方法。

請求項3

上記第1フェーズは、燃料流供給圧力を第1の圧力に設定することを有し、上記第2フェーズは上記燃料流供給圧力を上記第1の圧力より大きな第2の圧力に設定することを有する請求項1記載の方法。

請求項4

上記第1フェーズにおいて、上記燃料電池組立体を動作させるステップは、上記第1フェーズが上記燃料電池システムの始動フェーズを有するように、オフ状態から上記燃料電池システムを動作させることを有する請求項1記載の方法。

請求項5

上記方法は、上記燃料電池システムの温度を決定するステップを含み、決定された上記温度が予め定められた温度より小さいならば、上記第1および上記第2フェーズを実行し、上記温度が上記予め定められた温度より大きいならば上記ヒータ要素に電力を供給することなく上記燃料電池システムを動作させる請求項1記載の方法。

請求項6

1または複数の基準が満たされたときに、上記第1フェーズが終了し、上記第2フェーズが始まり、上記基準は、(i)予め定められた量の液体冷却剤が上記燃料電池組立体への搬送に利用可能であること、(ii)予め定められた量の電力が上記ヒータ要素に供給されたこと、(iii)上記ヒータ要素が、予め定められた時間の間、設定点電圧を上回って動作したこと、(iv)上記燃料電池組立体を通じて流れる、または上記燃料電池組立体から排出される酸素流の温度が予め定められた酸素温度を上回ること、(v)上記燃料電池組立体の温度が予め定められた組立体温度を上回ることを含む請求項1記載の方法。

請求項7

上記第1フェーズにおいて、上記燃料電池組立体を動作させるステップは、上記組立体を予め定められた電流または電力出力で動作させることを有する請求項1記載の方法。

請求項8

上記第1フェーズにおいて、上記燃料電池組立体を動作させるステップは、上記燃料電池組立体の出力電力を徐々に増加させて上記予め定められた電流または電力出力に合致させることを有する請求項7記載の方法。

請求項9

燃料電池組立体動作の計測値に基づいて、上記予め定められた電流または電力出力が修正され、および/または、電流出力の徐々の上昇が能動的に制御される請求項7または8記載の方法。

請求項10

上記燃料電池組立体は複数の燃料電池を含み、上記燃料電池組立体動作の計測値は、燃料電池またはグループの燃料電池の最小電圧、または上記組立体を形成する上記複数の燃料電池の燃料電池電圧標準偏差値、または上記燃料電池組立体を形成する上記複数の燃料電池の平均電池電圧のうちの1つまたは複数を有する請求項9記載の方法。

請求項11

上記第1フェーズの間に予め定められた量のエネルギを上記ヒータ要素に供給することに引き続いて、上記第1ヒータ要素と異なる第2ヒータ要素を起動させる請求項1記載の方法。

請求項12

上記第2フェーズの間に、上記冷却剤を上記燃料電池組立体に搬送するステップは、上記冷却剤を第1時間間隔の間に第1の速度で上記冷却剤を搬送し、引き続いて、上記第1の速度と異なる第2の速度で上記冷却剤を上記燃料電池組立体に搬送することを有する請求項1記載の方法。

請求項13

上記第2フェーズにおいて、上記第2化学量論的比は上記燃料電池組体への冷却剤の搬送の後に採用される請求項1記載の方法。

請求項14

上記第1フェーズに間に、上記燃料電池組立体は冷却剤を供給されない請求項1記載の方法。

請求項15

上記第1フェーズにおいて、上記燃料電池組立体により生成された電力は、また、上記酸素を上記燃料電池組立体へと駆動するための酸素コンプレッサへ供給される請求項1記載の方法。

請求項16

上記第2フェーズにおいて、上記燃料電池組立体を動作させるステップは、上記第1フェーズの間の電力より大きな電力で上記燃料電池組立体を動作させることを有する請求項1記載の方法。

請求項17

上記第2フェーズは、上記異なるヒータ要素に予め定められた量の電力を供給するまで、かつ/または、上記異なるヒータ要素が予め定められた量の時間だけ設定点電圧を越える電圧で動作させられるまで、生成された上記電力を上記異なるヒータ要素に供給して上記燃料電池組立体へ供給する冷却剤を加熱する請求項2記載の方法。

請求項18

上記燃料電池組立体は複数の燃料電池を含み、上記第2フェーズの間に、上記方法は、上記組立体における燃料電池の電圧を監視して任意の1つまたはグループの燃料電池による最小電圧を決定し、決定した上記最小電圧が予め定められた最小電池電圧を下回るかどうかを決定し、下回る場合は冷却剤を上記燃料電池組立体へ供給する速度を増加させるステップを含む請求項1記載の方法。

請求項19

燃料流および酸素流から電力を生成し、冷却用の冷却剤を受け取るように構成された燃料電池組立体を有する燃料電池システムにおいて、上記燃料電池システムは、請求項1〜18のいずれかに記載の方法に従って動作するように構成されることを特徴とする燃料電池システム。

請求項20

上記燃料電池システムは冷却剤貯蔵モジュールを含み、上記ヒータ要素は上記冷却剤貯蔵モジュール内に位置づけられる請求項19記載の燃料電池システム。

請求項21

上記燃料電池システムは冷却剤貯蔵モジュールを含み、この冷却剤貯蔵モジュールは上記ヒータ要素と、上記ヒータ要素と離間された異なるヒータ要素とを含み、上記ヒータ要素および上記異なるヒータ要素の双方が上記冷却剤貯蔵モジュール内に位置決めされる請求項19記載の燃料電池システム。

請求項22

請求項1〜18のいずれかに記載の方法を行うために、プロセッサおよびめもりを具備する計算機装置上で実行される命令を含む、コンピュータプログラム製品

技術分野

0001

この発明は燃料電池組立体および冷却剤貯蔵タンクを有する燃料電池システムに関する。この発明は、また、それら燃料電池組立体および冷却剤貯蔵タンクを含む燃料電池システムに関する。

背景技術

0002

慣用的電気化学燃料電池燃料および酸素電気エネルギおよび反応生成物に変換する。通常のタイプの電気化学燃料電池は膜電極組立体MEA)を有し、これが、アノードおよびカソードの間のポリマーイオン伝達膜ガス拡散構造とを有する。燃料、例えば水素、および、酸素、例えば空気からの酸素がMEAのそれぞれのサイドを越えて通り抜け、電気エネルギと反応生成物としての水を生成する。スタック構造が、多くのそのような燃料電池を個別のアノードおよびカソード流体流路中に配列して形成されて良い。そのようなスタックは、典型的には、当該スタックの各端部において端部プレートによって一体に保持される多数の個別の燃料電池プレートを有するブロックの形態をとる。

0003

ポリマー製のイオン伝達膜は効率的な動作のために水和状態に維持されることは重要である。また、スタックの温度が制御されることが重要である。このため、冷却剤がスタックに供給されて冷却および/または水和が行われる。したがって、燃料電池システムは、例えば、水和および/または冷却のために、水/冷却剤貯蔵タンクを含んで良い。燃料電池システムが氷点下状況で保持されまたは動作させられるならば、燃料電池スタックおよび水貯蔵タンク内の水は凍っている。凍った水は、冷却または水和のための水が燃料電池スタックに供給されるのを妨げる障害になる。これは、とくに、燃料電池システムがオフであり、そのため、水貯蔵タンク中の水がスタックを通じて流れることによる加熱が、もはや、行われなくなり、完全に凍ってしまうときに、問題になる。そのような場合、十分な液状の水が水和および/または冷却のために利用できない。これは、凍った水が溶けるまで、燃料電池組立体が再稼働またはフルパワーで動作するのを阻止する。燃料電池システム中にヒータを設けることが知られており、これは、貯蔵されたエネルギ、例えばバッテリからのエネルギで動作し、燃料電池システムを、ゼロを上回る温度に維持して凍結を阻止する。しかしながら、バッテリ電源には制限があり、燃料電池システムは、バッテリが故障したり、放電状態になったりすると、凍結してしまう。

0004

この発明の第1の側面によれば、燃料流および酸素流から電力を生成するように構成された燃料電池組立体を有する燃料電池システムを動作させる方法が提供され、この方法は第1フェーズ後続の第2フェーズとを有し、第1フェーズは、
酸素流の燃料流に対する第1の化学量論的比で燃料電池組立体を動作させて電力を形成するステップと、
上記生成した電力をヒータ要素に供給して上記冷却剤を加熱して上記燃料電池組立体に供給するステップとを有し、
第2フェーズは、
第1のフェーズで加熱された冷却剤を燃料電池組立体に配送するステップと、
酸素流の燃料流に対する第2の化学量論的比で燃料電池組立体を動作させて電力を形成するステップとを有し、第2の化学量論的比は第1の比より小さい。

0005

これは、蒸発で冷却された燃料電池組立体(例えば燃料電池スタック)を凍結状態始動させるための有益な方法である。このシステムは典型的には液体冷却剤を含有する冷却剤貯蔵モジュールを含み、液体冷却剤は寒冷条件では凍結することがある。第1の化学量論的比は、燃料電池組立体自体がヒータに給電して凍結状態の冷却剤を解凍させるのに十分な電力が生成可能なように燃料電池組立体を十分に冷却するように選ばれて良い。液体の冷却剤はその後に配送でき、化学量論的比は減少されて効率を改善させ冷却剤の解凍を続ける。第1フェーズは、燃料電池システムが動作し、冷却剤を燃料電池システムに放出するのに冷却剤の予め定められた量を解凍する条件を実現できるので、有益である。解凍済みの冷却剤を冷却剤貯蔵モジュール中に維持し、同時により多くの冷却剤が解凍され、さらに解凍された冷却剤が加熱されることは、有益であり、これは、解凍された冷却剤が、組立体に至る菅の中で再凍結する可能性が少なく、第2フェーズの信頼にたる始動に、予め定められた量の冷却剤を利用可能にするからである。

0006

オプションとして、第2フェーズは、上記の生成電力を上記のヒータ要素または異なるヒータ要素に供給して冷却剤を加熱して上記燃料電池組立体に供給するステップを含む。この異なるヒータ要素は第2フェーズを活性化させるために設けられて良い。これは、第2のヒータ要素が冷却剤貯蔵モジュールの異なる場所に位置決めされて異なる領域の冷凍状態の冷却剤を解凍できるので、有益である。代替的には、同一のヒータ要素を第2フェーズで活性化させて良く、また、複数のヒータ要素を組み合わせて良い。ヒータ要素、または、複数のヒータ要素は、オーミックヒータ、燃焼ヒータヒートパイプ、または熱交換器であって良く、これは、燃料電池システムのより高温度の部分、例えば、酸素流コンプレッサから、より低温度の水貯蔵モジュールへと熱を移動させる。

0007

オプションとして、この方法は、上記生成された電力の少なくとも一部を燃料電池システムの外部の負荷に第2フェーズでのみ供給するステップを有する。そして、第1フェーズでは、燃料電池を動作させるのに必要な電力(すなわち寄生負荷)を越えて利用可能な電力がヒータ要素に供給されて冷却剤を解凍して良い。代替的には、生成された電力のうちの、予め定められた最小持ち分または最小絶対量がヒータ要素に供給されて良い。このため、冷却剤の解凍が少なくとも第1フェーズでは第1優先とされ、できれば、第2フェーズでもそうである。ヒータ要素が第1フェーズで利用可能な電力のすべてを必要としないのであれば、過剰な電力は他の用途に利用可能とされて良く、例えば、負荷に供給されて良く、この負荷は動力車、または動力車に関連する補助システムであって良い。

0008

オプションとして、第1フェーズは、燃料流供給圧力を第1の圧力に設定することを含み、第2フェーズは燃料供給圧力を第1の圧力より大きな第2の圧力に設定することを含む。

0009

オプションとして、第1フェーズにおいて、燃料電池システムを動作させるステップは、燃料電池システムをオフ状態から動作させることを有し、例えば、第1フェーズは燃料電池システムの開始フェーズを有する。この方法は、ターンオフ中に凍結条件を経験したのちに、燃料電池システムを始動するのに極めて好適である。

0010

オプションとして、この方法は、燃料電池システムの温度を決定し、決定した温度が予め定められた温度より低いならば、第1および第2フェーズを実行し、温度が予め定められた温度より高いならば、電力をヒータ要素に供給することなく燃料電池システムを動作させるステップを含む。この方法は、決定された温度が予め定められた温度より高いならば第2側面の水注入制御装置を利用するように構成されて良い。燃料電池システムの温度は、冷却剤、例えば冷却剤貯蔵モジュール中の冷却剤の温度、または燃料電池システムを包囲する環境の温度を測定することにより決定されて良い。

0011

オプションとして、1または複数の基準が満たされたとき第1フェーズが終了して第2フェーズが開始し、この基準は、(i)予め定められた量の液体冷却剤が燃料電池組立体への搬送に利用可能であること、(ii)予め定められた量の電力またはエネルギがヒータ要素に供給されたこと、(iii)ヒータ要素が予め定められた時間だけ設定点電圧を越えていること、(iv)燃料電池組立体を通る酸素流の温度、例えば、カソード排出温度が予め定められた酸素温度を上回ること、(v)燃料電池組立体の温度、例えば、ハウジング、あるいは、他の外部または内部部品の温度が予め定められた組立体温度を上回ることを含む。これらの基準(および潜在的には他の基準)は、第2フェーズにおける燃料電池動作や燃料電池組立体への冷却剤の供給にどの程度利用できそうかを示す。

0012

オプションとして、第1フェーズにおいて、燃料電池組立体を動作させるステップは、上記組立体を予め定められた電流出力で動作させることを有する。予め定められた電流出力は、燃料電池組立体の最大出力より小さい電流出力を含んで良い。

0013

オプションとして、第1フェーズにおいて、燃料電池組立体を動作させるステップは、燃料電池組立体の電流出力を徐々に増加させて予め定められた電流出力に合致させることを有する。電流出力のランプ上昇は、適切な量の電力がヒータ要素に供給されるのを確実にしつつ燃料電池組立体に渡って電気バランスを維持するのの有益であることがわかった。

0014

オプションとして、予め定められた電流出力は、変更され、かつ/または、電流出力の漸近的な増加は燃料電池組立体の動作の計測値に基づいて能動的に制御される。オプションとして、燃料電池組立体は、複数の燃料電池を含み、燃料電池組立体の動作の計測値は燃料電池または燃料電池組立体を形成する複数の燃料電池のうちのグループの燃料電池の最小電圧を有する。このため、必要な電流出力に応じて燃料電池組立体の動作を監視して、冷却剤の供給を受けることなく燃料電池組立体が過剰な負荷を与えられないようになされる。

0015

オプションとして、第1フェーズの間に予め定められた量のエネルギをヒータ要素に供給するのに続けて、当該ヒータ要素と異なる、第2のヒータ要素を活性化させる。これは当該ヒータ要素をオフに切り替えることを含んで良い。

0016

オプションとして、第2フェーズの間に、冷却剤を燃料電池組立体に搬送することは、第1の期間に第1の速度で冷却剤を配送すること、また、これに続いて、第1の速度より遅い第2の速度で冷却剤を搬送することを有する。当初の大きな流速は有益であり、なぜならば、これが、迅速に冷却剤ライン構築し、燃料電池組立体を水和し、冷却するからである。第3、または、さらなる流速を採用して良いことに留意されたい。

0017

オプションとして、第2フェーズの間に、冷却剤の燃料電池組立体への搬送が終了したのちに、第2の化学量論的比が採用される。このため、酸素流を利用した冷却が、液体冷却剤が燃料電池組立体に供給されるまで維持される。

0018

オプションとして、第1フェーズの間に、燃料電池組立体は冷却剤の供給を受ける。そのため、第1フェーズは、冷却剤貯蔵モジュール中の多量の冷却剤を第2フェーズの間に搬送するために解凍することに焦点が置かれる。

0019

オプションとして、第1フェーズにおいて、燃料電池組立体によって生成された電力が酸素を燃料組立体押し出すために酸素コンプレッサに供給される。そして、化学量論的比が、空気をカソード通路を通じて燃料電池組立体に押し出すように構成されたコンプレッサの制御によって、制御されて良い。

0020

オプションとして、第2フェーズにおいて、燃料電池組立体を動作させるステップは、第1フェーズの間よりも大きな電力出力で燃料電池組立体を動作させることを有する。液体冷却剤が利用可能になると(例えばすべての冷却剤が解凍されていないので通常より少ない量であるけれども)、燃料電池組立体は大きな電力出力で動作させることができる。これは残っている凍結状態の冷却剤を解凍させるのを支援する。

0021

オプションとして、第2フェーズは、異なるヒータ要素が予め定められた量の電力の供給う受けるまで、かつ/また、設定点電圧を越えて予め定められた時間だけを動作させられるまで、当該異なるヒータ要素に、生成された電力を供給して冷却剤を加熱してこれを燃料電池組立体に供給する。

0022

オプションとして、燃料電池組立体は、複数の燃料電池を含み、第2フェーズにおいて、当該方法は、組立体中の複数の燃料電池の電圧を監視して燃料電池の1つまたはグループによる最小電圧を決定し、決定した最小電圧が予め定められた最小電池電圧を下回るかどうかを決定し、もしそうであれば、冷却剤の燃料電池組立体への供給速度を増加させることを含む。当該方法は、冷却剤の燃料電池組立体への現行の流速が予め定められた最大値かどうか、および/または、冷却剤貯蔵モジュール中に、利用可能な冷却剤があるかどうかを決定して、もし、その一方または双方が真であれば、上記燃料電池組立体の負荷を減少させるステップを含んで良い。

0023

燃料電池組立体を有し、当該燃料電池組立体は、燃料流および酸素流から電力を生成し、当該燃料電池組立体を冷却するための液体冷却剤を受け取るように構成された燃料電池システムが開示され、当該燃料電池システムは上述の方法に従って動作するように構成されている。

0024

オプションとして、燃料電池システムは、冷却剤貯蔵モジュールを含み、ヒータ要素が冷却剤貯蔵モジュールにおいて位置決めされる。オプションとして、燃料電池システムは、ヒータ要素と、当該ヒータ要素と離間して配置される異なるヒータ要素とを含む冷却剤貯蔵モジュールを含み、双方のヒータ要素は冷却剤貯蔵モジュールにおいて位置決めされる。冷却剤貯蔵モジュールは複数の室部を有して良く、当該ヒータ要素および他のヒータ要素は別の室部に位置決めされる。これは、任意の1つのヒータ要素が解凍する必要がある冷凍状態の冷却剤の体積を限定する。

0025

燃料電池システムは、第1フェーズの方法ステップを実行するように構成された制御装置を含んで良いことに留意されたい。

0026

他の側面によれば、プロセッサおよびメモリ具備するコンピューティング装置上で上述の方法を実行するための処理命令を含むコンピュータプログラム製品が提供される。

0027

燃料電池システム用の冷却剤注入制御装置が開示され、この冷却剤注入制御装置は、燃料電池組立体動作の計測値に応じて燃料電池組立体の冷却および/または水和のための上記燃料電池組立体への冷却剤の流れを動的に制御するように構成されている。

0028

燃料電池組立体に供給される冷却剤の動的な制御は有益であり、これは、冷却剤の流れが燃料電池組立体の信頼性が高く効率的な動作を確実にするように制御されるからである。

0029

オプションとして、燃料電池組立体動作の計測値は、燃料電池組立体の電気出力の計測値を有する。

0030

オプションとして、燃料電池組立体動作の計測値は、燃料電池組立体を通り抜ける反応物の流れの温度の計測値を有する。具体的には、反応物の流れは排出流、例えばカソード排出流を含んで良い。

0031

オプションとして、上記冷却剤注入制御装置は、上記燃料電池組立体動作の計測値が予め定めた閾値を下回るときに第1モードの動作を提供し、上記燃料電池組立体動作の計測値が上記予め定めた閾値を上回るときに第2モードの動作を提供するように構成され、上記第1および上記第2モードは異なる冷却剤注入プロフィールを有する。これは、当該発明が、冷却剤注入の正確な制御を実現し、もって、過剰な冷却剤が提供されないことを確実にすることができる点で、有益である。ただし、小さな流速、例えば、燃料電池組立体が低出力のときに必要とされる、小さな流速を測定することが困難であろうことが見出されている。したがって、異なる冷却剤注入プロフィールが正確性のレベルを維持するために採用されて良い。

0032

オプションとして、上記第1モードの動作において、上記冷却剤注入プロフィールは少なくとも2つの異なる注入流れ速度の間を交番させる冷却剤注入を実現する。したがって、冷却剤は燃料電池組立体にパルス状に、高および低流速を用いて、供給されて良い。

0033

上記第2モードの動作において、上記制御装置は、上記冷却剤の流速が燃料電池組立体動作の計測値に応じて徐々に制御される冷却剤注入プロフィールを提供するように構成される。制御は、燃料電池組立体動作の計測値と比例して良く、またステップ状に制御されて良い。オプションとして、上記制御装置は、上記冷却剤の流速を上記燃料電池組立体動作の計測値に応じて制御するクローズドループフィードバックを提供する。

0034

オプションとして、上記第2モードの動作において、上記制御装置は、燃料電池組立体の動作の計測に基づいて、冷却剤の流速を徐々に制御するように構成される。

0035

オプションとして、第2モードの動作では、当該制御装置は、上記冷却剤の流速が最大閾値速度に到達することに応じて、上記燃料電池組立体の電力出力を減少させるように構成される。そのため、冷却剤の流れが燃料電池動作を制限内に維持できないならば、燃料電池組立体の電力出力は減少される。

0036

以下、事例としてのみ、この発明の実施例の詳細な説明を以下の図を参照して行う。

図面の簡単な説明

0037

事例の燃料電池システムの模式図を示す。
この燃料電池システムの動作方法を示す第1のフローチャートである。
この燃料電池システムの動作方法を示す第2のフローチャートである。
この燃料電池システムの動作方法を示す第3のフローチャートである。
この燃料電池システムの動作方法を示す第4のフローチャートである。

実施例

0038

図は燃料電池システム1を示し、これは燃料電池組立体2および冷却剤貯蔵モジュール3を有する。この例における燃料電池組立体2は、一緒積み上げられた複数のプロトン交換膜燃料電池を含む燃料電池スタックを有する。燃料電池組立体2は蒸発で冷却される燃料電池組立体を有する。この例において、冷却剤は水を有するけれども、他の冷却剤、例えば、グリコールまたは水性溶液を用いて良い。冷却剤または水貯蔵モジュール3は、この例において、燃料電池組立体2の水和および/または蒸発冷却するための純水を貯蔵する。

0039

万一、冷凍条件下になると、モジュール3中の水が凍結するかもしれない。システム1は、システム1の電源落ちているときに氷点以上に維持するための補助的なヒータを含まない、また使用しないかもしれない。システム1を再始動するときに、燃料電池スタック2を冷却するために、および/または、スタックの燃料電池を形成する燃料電池膜を水和するために、水が必要になるかもしれない。そして、タンク1中の水が凍ったならば、それを迅速に解凍してスタック3が利用できるようにしなければならない。開示される当該システムは、そのような外部の低電圧または高電圧電源も必要とせず、自ら生成した電力の下で液体冷却剤を利用可能にするように動作する。を解凍するのに必要な電力が組立体/スタック自体により生成され、バッテリを消耗させるのでないので、これは有益である。バッテリは低温では性能が落ちることが知られており、したがって、燃料電池組立体の電力を用いるのは有利である。

0040

燃料電池組立体2は、水素のような燃料の流れをアノード入口4で受け取り、空気のような酸素の流れをカソード入口5で受け取るように構成されている。アノード排出口6が燃料の流通を可能にするように設けられる。カソード排出口7が酸素の流通を可能にするように設けられる。排出の流れは反応副産物および組立体2を通過した任意の冷却剤/水和液体運ぶことに留意されたい。カソード排出口7は冷却剤セパレータ8を含んで冷却剤(水)をカソード排出流から分離させて良い。分離された水は冷却剤貯蔵モジュール3に貯蔵される。これ例はスタックを通過する水冷却剤を再利用することを示すけれども、この発明は冷却剤を再利用しないシステムまたは異なる態様で冷却剤を再利用するシステムにも適用可能であることに留意されたい。

0041

冷却剤貯蔵モジュール3は管によって燃料電池組立体に連結されているけれども、モジュール3はスタック中の燃料電池と一体化されて良いことに留意されたい。冷却剤貯蔵モジュール3はカソード入口5に連結されて冷却剤をカソード流に導入するのを可能にして燃料電池組立体2を蒸発冷却する。冷却剤は個別の管によってスタックに案内されて良い。

0042

冷却剤注入制御装置10は冷却剤貯蔵モジュールから燃料電池組立体2への冷却剤の流れを制御するために設けられる。冷却剤注入制御装置10は、制御信号ポンプ11に供給して水の燃料電池組立体2への搬送を制御して良い。また、制御装置10は1または複数のセンサ14によって得た、燃料電池組立体2の性能に関する1または複数の計測値を受け取って良い。

0043

ヒータ要素12、13は、第1のヒータ要素12と、これから離間された第2のヒータ要素13とを有する。冷却剤貯蔵モジュール3は燃料電池組立体に冷却剤を供給するように構成され、各々が1または複数のヒータ要素を具備する複数の冷却剤貯蔵タンクを有して良い。当該1または複数のヒータ要素は電気的に出力駆動され、また、燃焼エネルギで駆動されて良く、また、これらは熱消散要素を有して良く、この要素は抵抗性ヒータまたはヒートパイプまたは熱交換器を含んで良く、これが燃料電池システムの一部から他の部分に熱を移動させる。例えば、燃料電池システムを通じて酸素を駆動するコンプレッサは、燃料電池組立体の起動後に比較的迅速に温まり、このため、コンプレッサから寧客剤貯蔵モジュールへと熱交換器を用いて熱を移動させ、流体および/またはヒートパイプを作動させることは有益である。

0044

冷却剤注入制御装置10は燃料電池システムのさらなる動作を制御するための燃料電池システム制御装置15の一部として形成して良い。

0045

ここで図2を参照すると、燃料電池システム1の動作方法の例が示される。この方法は燃料電池システム制御装置15によって実行されて良い。この動作方法は、燃料電池システムが低温または冷凍環境条件下で使用されるときに有効に始動できるように実行される。低温または冷凍環境下では、燃料電池システムが必要とする冷却剤が、冷却剤貯蔵モジュール3において冷凍されているので、利用できないかもしれない。燃料電池システムが冷凍の可能性を識別し、もって、その動作を修正して燃料電池システムを信頼性高く、始動可能にすることが重要である。これは、燃料電池システム1が動力車に対して原動力を供給するときに、とりわけ重要である。動力車のユーザは、燃料電池システムが信頼性高く始動し、広範囲動作環境において動力車に対して有効な動力を供給できることを期待する。燃料電池組立体が効率よく動作するために必要な、冷却剤のようなリソースが利用できない、少なくとも初期状態で利用できないならば、これは課題となる。

0046

図2はステップ20を示し、これは燃料電池システム1をオンに切り替えて燃料電池組立体2を動作させる。これは、制御装置10のような電気システムの電源立ち上げを含んで良い。これは、入口4、5による燃料電池組立体2への燃料および酸素の供給を開始して良く、また、これは、以下で検討するステップ21の後で実行されて良い。後に検討されるように、燃料および酸素の相対的なフローレートは具体的な化学量論比を実現するように制御されて良い。

0047

ステップ21は、燃料電池システム1の温度の決定を示す。そして、燃料電池システム制御装置15は、温度センサ14を用いて燃料電池システムの周りの1または複数の位置で、例えば、スタックまたは水貯蔵モジュール3および/またはシステム1の周囲環境において温度を決定する。決定した温度、または複数の温度計測値の最小または最大または平均が予め定められた温度閾値と比較されて冷却剤が凍結されているリスクを決定する。この実施例において、予め定められた温度閾値は10℃未満の温度に設定される。決定された温度が予め定められた温度より低いならば、当該方法は、通常動作モードに入る前に、ステップ22および23で表される2フェーズ方法を用いてシステムを動作させ、これは以下により詳細に検討される。測定された温度が予め定められた温度より大きいか、等しいならば、燃料電池システムはステップ24で表される「通常動作モード」で動作させられる。通常動作モードでは、燃料電池システムはヒータ要素12、13に電力を供給しなくてよく、これは以下に詳細に検討される。予め定められた温度は、燃料電池システムが必要とする冷却剤または他の凍結可能な資源凍結点に関係する、0、1、2、3、4、5、6、7℃または他の値であって良いことに留意されたい。

0048

ステップ25は、燃料電池システムの遮断、例えば、燃料および酸素の停止を表す。ステップ26は、燃料電池システム制御装置15が、温度センサを用いて、燃料電池システムおよび/またはシステム1のまわりの周囲環境の温度を決定することを表す。検出された温度が上述の温度閾値または他の温度閾値より小さいならば、低温遮断動作がステップ27で示すように実行される。他の実施例において、制御装置15は、インターネットを用いて天候予報を取り出し、潜在的な周囲温度を決定するように構成されて良く、また、システム1は、当該予報に基づいて、低温遮断ルーチン27を実行するかどうかを決定して良い。ルーチン27は、コンプレッサ(図示しない)を起動させて燃料電池組立体2中に残っているいずれの冷却剤または水を組立体2の外部に吹き飛ばし(空気またはパージ気体で)、できれば、冷却剤貯蔵モジュール3中へと吹き飛ばすことを有して良い。

0049

図3および図4は、図2のステップ22および23で表した2フェーズ方法を詳細に示す。

0050

図3は同時に起こる3つのプロセス30a、30b、および30cを示す。第1のプロセス30aは、全般的には、燃料電池システム1の開始時点で燃料電池組立体2の電気出力を増分的に増加させることを有する。電気出力は組立体2により電流出力を有して良い。したがって、テムの電気出力は、ゼロ(オフされたとき)から、予め定められた電流出力へと増加させられ、これは燃料電池組立体2の最大電力出力を下回って良い。予め定められた出力は、組立体の最大出力電力または出力電流の70、60、50、40、30、20、または10%を下回って良い。この例において、予め定められて出力電流閾値が採用される。予め定められた電流出力へと徐々に上昇する間、燃料電池の性能が計測されて、電力出力の増分的増加が維持できるかどうかが判別される。

0051

そして、燃料電池システム1を開始する際に、入口4に加わる燃料入口圧力がステップ32に示すように予め定められた値に設定される。この例では、水素燃料入口圧力は0.1および0.8バールゲージの間の予め定められて第1圧力に設定され、これは第1フェーズの電力要件を実現するのに十分なように実験によって選択されて良い。燃料入口圧量は通常の動作条件(すなわち、燃料電池の動作温度が、例えば、温度閾値より高いとき)で使用される電力より小さくて良い。

0052

制御装置15または注入制御装置10は、つぎに、燃料電池組立体からの電力を使用して第1ヒータ12を活性化させて良く、これはステップ33により表される。これによって、ヒータ12は冷却剤モジュール3中の冷却剤を加熱し、これは冷凍状態の冷却剤を含んで良い。

0053

燃料電池組立体2における電気出力の増分的な増加をステップ34および制御ブロック35で示される。電気出力の増分的な増加は当業者に知られている多くの方法、例えば、燃料流速または酸素流速を増加させることによって実現して良い。

0054

センサはセンサ14によって表されて良く、組立体2中の個々の電池(または電池グループ)を横切る温度を測定(36)するように構成されて良い。ステップ37は、組立体2中で最小電圧を具備する燃料電池を横切る電圧(「CVM」電圧と呼ぶ)が閾値を下回るかどうか決定することを有し、この電圧はPEM、水素、酸素の燃料電池については0.3Vであって良い。全般的には、ステップ37は、1または複数またはすべての燃料電池の電気パラメータを評価することを有する。CVM電圧または他の電気パラメータが閾値より低いならば、これは性能が悪い燃料電池またはオーバーヒートを示すかもしれない。したがって、制御装置は電流出力または組立体2の燃料電池組立体の負荷を低減して(ステップ38)燃料電池組立体を復元できるように構成されて良く、これは制御ブロック35の「−」側で表される。負荷の低減は、多くの態様、例えば代替的な電力源において負荷またはスイッチングを制御することにより実現して良い。決定された電圧が許容できるものであれば、当該方法は電流出力の増分的増加に進み、これはステップ34において示される。

0055

第2プロセス30bは、燃料電池組立体によって生成された電流出力および電圧を決定し(ステップ40)、燃料電池組立体2の電力出力を決定する(ステップ41によって)。センサ14によって表される電流電圧センサを用いて良い。燃料電池組立体の寄生負荷42、例えば、制御電気系および空気または燃料コンプレッサを考慮して第1ヒータ12に供給される正味の電力をステップ43において決定して良い。

0056

ステップ44は、第1ヒータ12をいつ不活性化させるかを決定するために2つの計測値を用いる。具体的には、制御装置15は、特定の量の電力またはエネルギがヒータ要素12に供給されたかどうかと、電圧設定点を越える電圧が予め定められた時間間隔だけ第1ヒータ12に供給されたかどうかとを決定するように構成されて良い。電流計電圧計、または他のセンサを採用して良い。両基準が満たされるなら第1ヒータ12がステップ45においてオフに切り替えられる。そうでなければ、燃料電池組立体2から第1ヒータ12への電力の供給が継続される。単一の計測値または複数の計測値の異なる組み合わせを用いていつ第1ヒータ12を不活性化させるかを決定するのに採用してよいことに留意されたい。計測値は、予め定められた量の凍結冷却剤を解凍し、ヒータの周りの体積において解凍冷却剤を予め定められた温度に温めるのに必要なエネルギに関連付けて良い。

0057

ステップ45は、また、第1ヒータ12と異なる第2ヒータ13のオン切り替えを有する。

0058

当該方法は、第1ヒータ12がステップ45でオフに切り替えられ、かつ、燃料電池組立体、または燃料電池組立体から出ていく排出ガスの温度が温度閾値に達するまで、上述した第1フェーズの動作に止まり、これをステップ46で示す。この例において、温度閾値は10、15、20、または25℃またはそれ以上であって良い。温度センサ47および決定ブロック48は温度閾値が超過させられたかどうかを決定することを示す。

0059

ステップ46の基準は異なって良い。例えば、フェーズ1およびフェーズ2動作モードの間の遷移が、予め定められた量の冷却剤が燃料電池組立体に配送可能であるとき、および/または予め定められた量の電気力がヒータ要素へ供給されたとき、および/またはヒータ要素が予め定められた時間だけ設定点電圧を越えて動作させられたとき、および/または、燃料電池組立体の温度、または燃料電池組立体を通り抜ける燃料または酸素流の温度が予め定められた温度を越えたときに基づいて行われて良い。

0060

ステップ46において両条件が満たされるまで、当該方法は継続中の第3プロセス30cを引き続き制御する。第3プロセス30cは、第1プロセス30aおよび第2プロセス30bと一緒に開始されて良いけれども、第2プロセスとリンクされている。

0061

第3プロセス30cは、開始ステップ49において、酸素流速を予め定められた最小流速量に設定するステップを有する。予め定められた流速は、冷却剤を放出する前に十分に燃料電池組立体を確実に十分に冷却できるように実験によって決定されて良い。

0062

当該方法は、つぎに、入口4、5に供給される酸素の燃料に対する、特定の第1の化学量論的比を実現するのに必要な酸素/空気流速を決定する(ステップ50)。制御装置25は、燃料電池組立体2の電流出力を用い、これはセンサ51によって決定される。ステップ50は、酸素/空気流速を制御して高い化学量論的比、例えば10を上回る、または15を上回る、または20を上回る値を維持するように構成される。ステップ50は、コンプレッサ(図示しない)を制御して所望の化学量論的比を満たすのに必要な酸素流速を実現することを表す。そして、空気流は、アノード入口4に巨給される燃料の量と化学量論的にバランスするのに必要な量をはるかに上回る。空気は、液体冷却剤が水モジュール3から入手可能になるまで、燃料電池組立体18を冷却するように働く。

0063

上述の方法は、フェーズ1において、これにより、特定の量のエネルギが凍結冷却剤を解凍するために供給されて、燃料電池組立体に冷却剤を案内するのに先立って予め定められた量の冷却剤が利用できるようになすことを確実にする。これは、冷却剤の温度を増大させることができ、利用可能な量を多くして組立体2に至る菅を通じて搬送されるときに再凍結しないようにできるので、有益である。そして、液体冷却剤は、解凍されたのち、予め定められた量のエネルギがヒータホウ素に供給されるまで冷却剤モジュール3中に保持されて良い。

0064

上述してステップ46において評価された条件が満たされると、当該方法は第2フェーズに進む。全般的には、第2フェーズにおいて、水冷却剤が燃料電池組立体2に供給され、化学量論的比が減少させられる。さらに、燃料電池組立体2の電力出力が、ステップ34において特定された予め定められた電流出力を上回るように増加させられる。

0065

当該方法は、第1フェーズにおいて加熱された冷却剤を、搬送するステップに進み、これはステップ54a〜54cに示す。冷却剤は、複数の順次に適用される流速で搬送されて良い。最初に高流速にしてこれに続けて低流速にすることが有益であることがわかった。これは、水ポンプ11を迅速に開始させ(これは氷の形成を何ら含まず、かつ/または、どのような慣性にも打ち勝つことができる)、水搬送菅を準備し、燃料電池組立体(冷却剤または水和液体なしい動作していた)に迅速にこれを供給するという利点を持つ。ギャラリを含む燃料電池組立体は、個々の水貯蔵ボリューム各燃料電池能動領域に隣接させながら、これの上流に有しており、この燃料電池組立体においては、大きな初期流速がギャラリを満たし、つぎに、燃料電池の活性領域にわたって満たすことができる。

0066

第1の例において、第1の期間中、当初大きな流速が供給され、つぎに、第2の期間に、より低い流速が続き、その後、さらに低い流速が続く。そして、3つの減少する流速からなる最初の水注入プロフィールは、この例において採用される。少なくとも2つの減少する流速も好ましい。第2の流速は、水貯蔵モジュール中に残っている解凍冷却剤の予測量に対する第2フェーズを終了させるのに必要な時間に基づいて決定して良い。水注入プロフィールの効果は、冷却剤ポンプに初期の高トルク値を供給し(ステップ54a)、冷却剤貯蔵モジュールと組立体の間の冷却剤供給菅を準備し(ステップ54b)、つぎに、冷却剤ポンプを、閾値内または最小の冷却剤流速で動作させて組立体の温度を維持させる(ステップ54c)ことである。

0067

化学量論的比はステップ55に示すように減少する。この例において、化学量論的比は、例えば、15未満、または10未満、または5未満へと減少させられる。これに応じて、燃料流および酸素流の流速は所望の化学量論的比を実現するように設定される。

0068

図4は、制御装置15、10によって実行される方法の第2フェーズの継続60を示す。第2フェーズにおいて、第2ヒータ13は、活性化されて良いけれども、この例では、これはステップ45における第1ヒータ要素のオフ切り替えと組み合わさって活性化される。複数のヒータ要素12、13を設けると、第1ヒータ要素が凍結冷却剤の特定の領域を解凍するように位置づけることができ、他の離間されたヒータ要素が冷却剤貯蔵モジュール3における凍結冷却剤の他の領域を解凍できるので、有益である。そして、第1フェーズにおける第1ヒータ要素の動作は、十分なエネルギを第1ヒータ要素12の近傍の凍結冷却剤の実質的にすべてを解凍するのに供給できるように、選択されていた。これは、モジュール中に残存している所定量の凍結状態の冷却剤を第2ヒータ要素13により解凍することをそのままにしている。

0069

第2フェーズにおいて、アノード入口4に加わる水素流入口圧力は増大する(ステップ61)。これはより多くの燃料を燃料電池組立体2に供給して、組立体2の電力出力を増加可能にする。

0070

ステップ62は、燃料電池組立体の電力出力が燃料電池組立体の最大電力出力の実質的に50%まで増分的に装荷することを示す。そして、燃料組立体が液体冷却剤の供給を受けると、これはより効率的に動作可能となり、その電力出力が増大可能になる。50%の電力出力の目標がこの実施例では採用されたけれども、30%、40%、50%、60%、または70%までの値が増分的増加ステップ62の目標出力として選択されて良い。

0071

制御装置15、10は燃料電池組立体2へ供給される冷却剤の量を決定するように構成され、これはステップ63に示す。そして、水の累積量が監視されて良い。

0072

第2ヒータ13は、モジュール3中の冷却剤を、冷却剤の予め定められた量の冷却剤が解凍されるまで加熱するように、燃料電池組立体から電力を受ける。これは、ヒータ要素13に供給されるエネルギまたは電力の量を計測すること、および/または、設定点を超える電圧が第2ヒータ13に加えられた時間量を監視することによって決定されて良い。ステップ64は、2つの基準を用いて第2ヒータ13を不活性化させる時点を決定することを示す。具体的には、制御装置15、10は、特定の量の電力またはエネルギがヒータ要素13に供給されたかどうか、および、設定点を超える電圧が予め定められた時間だけ第2ヒータ13に供給されたかどうかを決定するように構成されて良い。ジュールカウンタおよび電圧計または他のセンサを採用して良い。量基準が満たされると、第2ヒータ13はステップ65でオフに切り換えられる。制御装置10、15は、つぎに、上述した「凍結冷却剤始動方法」のフェーズ2を終了して、通常動作モードに従って燃料電池組立体を制御するようになり、これをステップ66に示す。そうでない場合には、燃料電池組立体2から第2ヒータ13への電力供給を続ける。

0073

予め定められた電流出力へと増分的に増加させる間、燃料電池システム1の動作を計測して予め定められた電流出力への増分的な増加を続けるかどうかを決定して良い。燃料電池システム1の動作は、予め定められた電流出力に到達した後、測定されて良い。制御装置10、15はセンサを用いて組立体を横切る電圧および/または組立体2における個々の電池(または電池グループ)を横切る電圧を測定する。ステップ67は、組立体2において最小電圧を有する燃料電池の1つを横切る電圧が閾値を下回るかどうかを判定することを有し、これはPEM、水素、酸素の燃料電池については0.3Vであって良い。決定された電圧が許容できるならば(すなわち閾値を上回る)、当該方法は、ループ68で示す水の流速の監視に進む。

0074

電圧が閾値を下回るならば、これは燃料電池が低性能であること、または、オーバーヒートであることを示すであろう。第2フェーズにおいて水冷却剤が燃料電池組立体2に供給されるならば、当該方法は、組立体の流速または電気出力を変更するのに先立って、組立体2へ供給される冷却剤の量または冷却剤の供給速度を評価するようになる(ステップ69)。

0075

ステップ69は、予め定められた最大水冷却剤流速が達成されたかどうかを評価することを有する。最大水冷却剤流が達成されたなら(例えばポンプ11の最大性能を実現することにより)、燃料電池組立体2の負荷を減少させる。これは、多くの手段により実現して良く、当業者には明らかである。当該方法はステップ63で冷却剤注入速度の監視を続ける。

0076

水冷却剤の流速が先の予め定められた最大値を下回るなら、制御装置10、15は冷却剤モジュール3中の液体冷却剤レベルセンサ(図示しない)を用いて冷却剤が利用可能かどうかを決定するように構成される(ステップ71)。代替的には、制御装置は、制御装置により要求される水流の量を累積することによって利用可能な水を見積もって良い。冷却剤が利用可能でないなら、例えば依然として冷凍状態であるなら、当該方法はステップ70へ進み、これは先に説明した。冷却剤が利用可能であれば、当該方法は冷却剤流速を、ポンプ11により制御して(ステップ72)、第2フェーズの開始時点で設定した速度(ステップ54)から、例えば、冷却剤ポンプの最大性能を下回る流速閾値まで上げる。そして、全般的には、制御装置は、冷却剤流速を第2フェーズの開始時点に設定された速度(ステップ54)より15%または10%または20%または他のパーセントだけ大きい最大値まで増加させるように動作する。当該方法は、ステップ63に進み、ここで冷却注入速度の量の監視または評価が続けられる。

0077

フェーズ制御スキームは、凍結状態または4℃を下回る(sub−four degree Celsius)条件から燃料電池システムを始動させるのにとりわけ有益であることがわかった。燃料電池システムは2〜3分以内、多分、それより早く、フル動作出力で動作可能になることがわかった。

0078

ここで検討した制御方法は、種々の位置で、組立体において最小電圧を具備する燃料電池の電圧を利用して信頼性のある動作を確実なものにする。代替的には、先に述べたいくつか、またはすべての場合に、組立体における複数の燃料電池にわたる燃料電池電圧標準偏差を用いて閾値と比較して良い。代替的には、平均燃料電池電圧の変更速度を閾値と比較して良い。代替的には、カソード排出温度またはその変化を閾値と比較して良い。これら測定値のすべては燃料電池組立体の性能を示すと考えることができる。

0079

図1および図5は、水注入制御装置10を示し、燃料電池組立体2へ搬送される冷却剤のロウを制御して効率的な動作を実現するための方法をそれぞれ説明する。組立体2の温度を許容限界内に維持するのに十分なように組立体2に十分なだけの冷却剤を搬送することは有益である。そして、燃料電池組立体の動作の間に理恵客剤の流速を動的に制御することは有益であり、とくに効率的なシステム1をもたらす。

0080

図1は、燃料電池システム1のための冷却剤注入制御装置10を示し、この冷却剤注入制御装置10は、センサまたはセンサアレイ14からの燃料電池組立体の性能の計測値に応じて、燃料電池組立体2の冷却および/または水和のために燃料電池組立体2への冷却剤の流速を動的に制御するように構成されている。

0081

燃料電池組立体の操作の計測値は、センサ14からの、燃料電池組立体2の電気出力の計測値、例えば電流出力または電力出力を有して良い。他の実施例において、燃料電池組立体の動作の計測値は、燃料電池組立体を通り抜ける反応物の温度、例えば、カソード排気7における温度を有する。

0082

冷却剤注入制御装置は、燃料電池組立体2の電流出力のような電気出力に基づいて、少なくとも2つの異なるモードで動作するように構成されている。この実施例において、制御装置10は、組立体の電流出力が予め定められた閾値を下回るならば行う第1モードの動作と、組立体の電流出力が予め定められた閾値を上回るならば行う第2モードの動作とを有する。代替的には、動作モードの選択は、燃料電池組立体により要求される冷却剤流速に基づいて決定されて良く、例えば、低流速(閾値を下回る)は第1モードを要求し、高流速(閾値を上回る)は第2モードを要求する。第1モードおよび第2モードの動作は、ポンプ11をどのように制御して冷却剤を燃料電池組立体2に搬送するかという点で異なる。具体的には、1または複数の流速、冷却剤注入期間、および冷却剤注入速度パターンが動作モードに基づいて変更される。そして、異なる冷却剤注入プロフィールが実現される。

0083

この実施例において、第1モードの動作において、制御装置は、ポンプ11を相応に制御することにより、2つの冷却剤流速の間で交番を行う。流速の一方はゼロであって良く、他方は正であってよく、双方が正(ゼロを上回る)であって良い。この例において、制御装置は、1分に80立方センチメートルの流速で25秒の期間の冷却剤の供給と、ゼロの流速で35秒の期間の冷却剤の供給とを実現し、これを周期的に交番させる。さらに異なる流速が提供されてよく、制御装置がこれらを繰り返して良いことに留意されたい。このパターンに従う際に、供給される水の量はより正確に監視されて良い。これはポンプ11を使用して低流速を測定し、または正確に維持することが困難であるからである。

0084

第2モードの動作において、制御装置10は、冷却剤の流速が、燃料電池組立体の動作の計測値に応じて、動的に、または徐々に制御される、冷却剤注入プロフィールを実現するように構成されている。燃料電池組立体の動作の計測値は上述の電流出力を含んで良く、あるいは、これは先に検討して燃料電池の動作の異なる計測値であって良い。

0085

そして、制御装置15は、燃料電池組立体の動作の計測値に応答して冷却剤の速度を制御するクローズドループフィードバックを実現して良い。燃料電池の動作の計測値は、複数の基準を採用して良い。例えば、組立体2における複数の燃料電池の1または複数の最小燃料電池電圧(CVM電圧)、組立体電圧または最小燃料電池電圧または平均燃料電池電圧の変化率、燃料電池電圧の標準偏差(または変化)、カソード排気の温度7、または他のパラメータである。具体的には、燃料電池の動作の計測値は、燃料電池組立体2のオーバーヒート、および/または燃料電池組立体2の冷却剤の飽和を示す計測値を有する。

0086

1例において、動的なクローズドループ制御フィードバックの間に冷却剤流速が最大閾値速度に到達し、燃料電池の動作が閾値を下回るならば、制御装置は、スタックによって生成された電流を減少させることによって、燃料電池組立体2の電力出力を減少させるように構成されている。

0087

図5を参照すると、このフローチャートは、「通常動作」の開始を示し、これは、先に説明した方法がステップ66に到達したことに対応して良い。この例において、制御装置15は、CVM電圧およびカソード排気7の温度の絶対値、および/または、変化を決定して、冷却剤の流速を、例えばポンプ11に対して支持し、電力供給することによって動的に制御するように構成されている。

0088

ステップ80は、燃料電池組立体おおび酸素/燃料の化学量論的比から所望の出力電流を設定することを有する。この例において、化学量論的比はステップ55の化学量論的比より小さい。

0089

ステップ81は、CVM電圧の反率がCVM率閾値を下回るかどうかを判別することを有する。そうでないなら、当該方法はカソード排気の温度7が閾値温度を上回るかどうかを評価する(ステップ82)。そうでないなら、当該方法はステップ83に進み、CVM電圧がCVM閾値を下回るかどうか評価する。

0090

燃料電池の動作のこれら3つの評価(ステップ81、82、83)のいずれかが真であれば、当該方法はステップ84へ進み、ここで、制御装置15が、より大きな水冷却剤流速を利用可能かどうか評価する。より大きな水流速が利用可能かどうかは、例えば、ポンプ動作が上限および、または上側動作限界に到達したかどうか、および/またはモジュール2の水が利用可能かどうかによって決定されて良い。燃料電池組立体2からの電流出力の評価値88が電流センサ89から利用される。そして、制御装置15は、ステップ84において、念流電池組立体の具体的な電流出力に対して冷却剤流速が最大であるかどうかを決定する。これは、具体的な電流出力に対する最大冷却剤流速を決定するために、ルックアップテーブル等を参照することを有して良い。

0091

冷却剤の速度を増加させることができないならば、制御装置10は、燃料電池組立体2の負荷を減少またはレベル下げを行うように構成される(ステップ85)。負荷のいずれの減少もメモリ中にストアされ、燃料電池組立体が良好に動作するようになると、負荷を増大させることができる。

0092

冷却剤が利用可能であれば(したがって、水流速はその最大値ではない)、制御装置15は冷却剤を組立体に搬送する速度を増加させるように構成される(ステップ86)。つぎい制御装置は当該方法のステップ81に戻る。

0093

つぎに当該方法は、ステップ81、82、および83に示される燃料電池組立体の動作の指示値を評価する。

0094

制御装置15が念流電池組立体2の動作が許容限界内であると判別すると、すなわち、ステップ81、82、および83がの結果を返すことにより結論付けられると、当該方法はステップ91に進み、負荷設定点が先に減少させられたかどうか(ステップ85)を決定する。先に述べた通り、メモリはこの情報をストアして良い。負荷が先に減少させられていると、これは長い時間間隔にあたって徐々に増加させられ(または予め定められた速度で、この速度は実験によって決定されて良い)、これステップ92に示す。当該方法はステップ81に戻り、燃料電池組立体の動作を、再度、監視する。

0095

負荷設定点が先に減少させられていないなら、当該方法はステップ93へ進む。制御装置15は、水冷却剤流速が、燃料電池組立体が動作している具体的な電流出力に対する、デフォルト最小閾値(例えば、ステップ86において所望の最小値を上回るように増加されたもの)を上回るかどうかを検査する。そして、センサが電流出力を決定して良く、ルックアップテーブル等が所望の最小冷却剤流速を決定するために参照されて良い。水冷却剤閾値が超過されていなければ、当該方法はステップ81の初めに戻る。水冷却剤閾値が予め定められたデフォルトの最小値を上回ってると、制御装置15は、水流速をゆっくりと(予め定められた速度で、この速度は実験によって決定されて良い)減少させるように構成され、これはステップ94に示される。当該方法はステップ81へ進み、ここで、燃料電池組立体の動作が検査される。

0096

一般的には、燃料電池組立体の所望の出力電力の各々に関して、最小冷却剤流速および最大冷却剤流速が設定され(例えば実験によって)、そして、制御装置は、燃料電池組立体の動作の計測値(例えばステップ81〜83によって供給される)が、水流速を増加させる必要があることを示さない限り、冷却剤流速を予め定めた最小流速に維持するように構成されて良い。水流速は、所与の燃料電池組立体の出力電流に関して予め定められた最大冷却剤流速に至るまで増加させられるだけである。

0097

先の例において個々のステップの各々は燃料電池組立体の効率的な動作において重要な役割を実行する。したがって、当該ステップの各々は、ここに請求される発明のオプションの側面を形成して良い。

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