(57)【要約】【課題】  燃料電池システムの効率を制御する技術に関する。【解決手段】  燃料電池用スタック（２０）に使用可能な技術（７０）には、燃料の流れをスタック（２０）に供給するステップ（７２）、燃料の流れを変化させるステップ（７４）及びスタック（２０）の少なくとも１つの電池電圧の燃料の流れの変化に対する応答を観察するステップ（７６）が含まれる。スタックの効率は、この観察に基づいて制御される（７８）。【選択図】  図２
2006108124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用スタックに使用可能な方法であって、
該スタックに燃料の流れを提供するステップと、
該燃料の流れを変化させるステップと、
該スタックの少なくとも１つの電池電圧の、該燃料の流れの変化に対する応答を観察するステップと、
該観察に基づいて、該スタックの効率を制御するステップと、
を含んでなる方法。
【請求項２】
上記燃料の流れを変化させるステップが、該燃料の流れを所定の量だけ減少させることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記所定の量が、上記減少前の燃料の流れの所定の百分率を含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
上記観察ステップが、上記スタックの少なくとも１つの電池電圧を測定することを含み、該少なくとも１つの電池電圧が、該少なくとも１つの電池以外のスタックの電池よりも上記燃料の流れの変化に敏感であるように設計された少なくとも１つの電池に関連する請求項１に記載の方法。
【請求項５】
上記観察ステップが、上記燃料の流れの変化の後に、上記スタックの少なくとも１つの電池電圧を測定することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
上記観察ステップが、上記少なくとも１つの電池電圧の１つが所定の電池電圧しきい値未満であるかどうかを決定することを含む請求項５に記載の方法。
【請求項７】
上記制御ステップが、上記１つの電池電圧が上記所定の電池電圧しきい値未満である場合、上記燃料の流れを増加させることを含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
上記制御ステップが、上記１つの電池電圧が上記所定の電池電圧しきい値未満になるまで、上記燃料の流れを減少させるステップを繰り返すことを含む請求項６に記載の方法。
【請求項９】
上記観察ステップが、上記少なくとも１つの電池電圧の所定の数が所定の電池電圧しきい値未満であるかどうかを決定することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
上記制御ステップが、上記少なくとも１つの電池電圧の所定の数が上記所定の電池電圧しきい値未満である場合、上記燃料の流れを増加させることを含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
上記制御ステップが、上記少なくとも１つの電池電圧の所定の数が上記所定の電池電圧しきい値未満になるまで、上記燃料の流れを減少させることを繰り返すことを含む請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
上記観察ステップが、上記少なくとも１つの電池電圧の標準偏差を決定することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
上記制御ステップが、上記標準偏差が所定のしきい値を超える場合は、上記燃料の流れを増加させることを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法であって、上記制御ステップが、上記標準偏差が上記所定の電池電圧しきい値を超えるまで、上記燃料の流れを減少させることを繰り返すことを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
燃料電池用スタックと
該スタックに燃料の流れを提供する燃料プロセッサと、
該燃料プロセッサと該スタックとに接続された第１回路であって、
該燃料プロセッサをコントロールして該燃料の流れを変化させ、
該スタックの少なくとも１つの電池電圧の該燃料の流れの変化に対する応答を観察し、
該燃料プロセッサをコントロールして、該観察に基づいて該スタックの効率を制御する、
第１回路と、
を含んでなるシステム。
【請求項１６】
上記第１回路が、上記燃料プロセッサをコントロールして、上記燃料の流れを所定の量だけ減少させることによって上記燃料の流れを変化させる請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
上記少なくとも１つの電池電圧を測定する第２回路であって、上記燃料電池用スタックが、該少なくとも１つの電池電圧に関連する少なくとも１つの電池を含み、該少なくとも１つの電池が該少なくとも１つの電池以外の該スタックの電池よりも上記燃料の流れの変化に敏感であるように設計され、上記第１回路が該少なくとも１つの電池電圧の示度を受け取るために該第２回路に接続される、第２回路を更に含んでなる請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
上記少なくとも１つの電池電圧を測定する第２回路をさらに含んでなる請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
上記第１回路が、上記少なくとも１つの電池電圧の１つが所定の電池電圧しきい値未満であるかどうかを決定する請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
上記第１回路が、上記燃料プロセッサをコントロールして、上記１つの電池電圧が上記所定の電池電圧しきい値未満である場合、上記燃料の流れを増加させる請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
上記第１回路が、上記燃料プロセッサをコントロールして、上記１つの電池電圧が上記所定の電池電圧しきい値未満になるまで、上記燃料の流れを減少させ続ける請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
上記少なくとも１つの電池電圧の示度を上記第１回路に送るために、上記スタックに接続された第２回路をさらに含み、該第１回路が、上記少なくとも１つの電池電圧の所定の数が所定の電池電圧しきい値未満であるかどうかを決定するために該示度を使用する請求項１５に記載のシステム。
【請求項２３】
上記第１回路が、上記燃料プロセッサをコントロールして、上記少なくとも１つの電池電圧の所定の数が上記所定の電池電圧しきい値未満である場合に、上記燃料の流れを増加させる請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
上記第１回路が、上記燃料プロセッサをコントロールして、上記１つの電池電圧が上記所定の電池電圧しきい値未満になるまで、上記燃料の流れを減少させ続ける請求項２２に記載のシステム。
【請求項２５】
上記少なくとも１つの電池電圧を測定するために、上記スタック及び上記第１回路に接続された第２回路をさらに含み、該第１回路が該少なくとも１つの電池電圧の標準偏差を決定する請求項１５に記載のシステム。
【請求項２６】
上記第１回路が、上記燃料プロセッサをコントロールして、上記標準偏差が所定のしきい値を超える場合、上記燃料の流れを増加させる請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
上記第１回路が、上記燃料プロセッサをコントロールして、上記標準偏差が所定の電池電圧しきい値を超えるまで、上記燃料の流れを減少させ続ける請求項２２に記載のシステム。
【請求項２８】
命令を記憶する、コンピュータ読取り可能な記録媒体を含む物品であって、該製品がコンピュータに、
燃料プロセッサとやり取りして、該燃料プロセッサが燃料電池用スタックに燃料を提供する速度を変化させ、
該燃料の流れの変化に対する、該スタックの少なくとも１つの電池電圧の応答を観察させ、
該観察に基づいて該スタックの効率を制御させるために、該燃料プロセッサをコントロールさせる、
物品。
【請求項２９】
上記記録媒体が、コンピュータに所定の量だけ速度を遅らせる命令を記憶する請求項２８に記載の物品。
【請求項３０】
上記記録媒体が、コンピュータに、上記少なくとも１つの電池電圧を測定するために電池電圧モニタリング回路を使用させる命令を記憶する請求項２８に記載の物品。
【請求項３１】
上記記録媒体が、コンピュータに、上記少なくとも１つの電池電圧の１つが所定の電池電圧しきい値未満であるかどうかを決定させて、上記スタックの効率の制御を上記決定に準拠させる命令を記憶する請求項２８に記載の物品。
【請求項３２】
上記記録媒体が、コンピュータに、上記少なくとも１つの電池電圧の所定の数が所定の電池電圧しきい値未満であるかどうかを決定させて、上記スタックの効率の制御を上記決定に準拠させる命令を記憶する請求項２８に記載の物品。
【請求項３３】
上記記録媒体が、コンピュータに、上記少なくとも１つの電池電圧の標準偏差を決定させ、効率の制御を上記決定に準拠させる命令を記憶する請求項２８に記載の物品。
【請求項３４】
電池電圧を提供する燃料プロセッサ及び燃料電池用スタックと使用できる装置であって、
少なくとも１つの電池電圧を測定する第１回路と、
該第１回路、該燃料電池用スタック及び該燃料プロセッサに接続された第２回路であって、
該燃料プロセッサをコントロールして燃料の流れを変化させ、
該燃料の流れの変化に対する、該スタックの少なくとも１つの電池電圧の応答を観察させ、
該観察に基づいて該スタックの効率を制御させるために、該燃料プロセッサをコントロールさせるための
第２回路と、
を含んでなる装置。
【請求項３５】
上記第２回路が、上記燃料プロセッサをコントロールして、所定の量だけ上記燃料の流れを減少させることによって上記燃料の流れを変化させる請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
上記第２回路が、上記少なくとも１つの電池電圧の１つが所定の電池電圧しきい値未満であるかどうかを決定して、上記燃料プロセッサをコントロールして該決定に基づいて上記スタックの効率を制御する請求項３４に記載の装置。
【請求項３７】
上記第２回路が、上記少なくとも１つの電池電圧の所定の数が所定の電池電圧しきい値未満であるかどうかを決定して、上記燃料プロセッサをコントロールして該決定に基づいて上記スタックの効率を制御する請求項３４に記載の装置。
【請求項３８】
上記第２回路が、上記少なくとも１つの電池電圧の標準偏差が所定の電池電圧しきい値を超えるかどうかを決定して、上記燃料プロセッサをコントロールして該決定に基づいて上記スタックの効率を制御する請求項３４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、燃料電池システムの効率を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応によって発生した化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電気化学ディバイスである。例えば、あるタイプの燃料電池には、プロトン交換膜とよく呼ばれる、燃料電池のアノードとカソードとの間をプロトンだけを通過させることができるポリマー電解質膜（ＰＥＭ）が含まれる。この膜は一方の側のアノード触媒層と他方の側のカソード触媒層との間に挟まれている。この構成は一般に、膜電極アセンブリー（ＭＥＡ）と呼ばれる。アノードにおいて、２原子の水素（燃料）が反応して、ＰＥＭを通過する水素プロトンが発生する。この反応により発生した電子は、燃料電池の外部の回路を通過して電流を形成する。カソードにおいては、酸素が還元され水素プロトンと反応して、水が形成される。アノード及びカソードの反応は、次の式で説明される。
電池のアノードにおいて  Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
電池のカソードにおいて  Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ
【０００３】
一般的な燃料電池の端子電圧は、約１ボルトＤＣである。より高い電圧を作るために、いくつかの燃料電池を集めて、燃料電池用スタックと呼ばれる構成を作ることができる。この構成では、燃料電池を電気的に直列に結合して、より高いＤＣ電圧（例えば、約１００ボルトＤＣの電圧）を作り、またより多量の電力を提供する。
【０００４】
燃料電池用スタックは、フロープレート（flow plate）（例えば、グラファイトコンポジット又は金属プレート）を備えている。これらのプレートは互いに他の上に重ね合わされ、また各プレートは、スタックの２つ以上の燃料電池に関連している。プレートには、例えば、反応体及び生成物を燃料電池用スタックを通って送り出すために、種々の表面フローチャネル及びオリフィスが含まれる。いくつかのＰＥＭ（それぞれのＰＥＭは特定の燃料電池に関連している）を、スタック全体にわたって、異なった燃料電池のアノードとカソードとの間に分散することができる。電気的に導電性のガス拡散層（ＧＤＬ）を各ＰＥＭの各側上に配置して、各燃料電池のアノード及びカソードを形成することができる。この方法では、ＰＥＭの各側からの反応体のガスは、フローチャネルを出てＧＤＬを通って拡散しＰＥＭに達する。ＰＥＭ及びその隣接する対は、膜電極ユニット（ＭＥＵ）と呼ばれることがある構成に組み込まれることが多い。
【０００５】
燃料電池システムには、炭化水素（例えば、天然ガス、プロパン、メタノール）を燃料電池用スタックの燃料に変換する燃料プロセッサが含まれる。燃料電池用スタックの所定の出力電力については、スタックへの燃料及び酸化体の流れは、前に列挙した式によって支配される適当な化学量論比（stoichiometric ratio）を満足する必要がある。このため、燃料電池システムのコントローラはスタックの出力電力をモニタし、モニタした出力電力に基づいて、燃料及び空気流を推定して適当な化学量論比を満足させる。このように、コントローラは燃料プロセッサを制御してこの流れを作り、コントローラが出力電力の変化を検出すると直ちに、コントローラは燃料及び空気流の新しい速度を推定して、それに応じて燃料プロセッサをコントロールする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
スタックの特性は理想的でないため、所定の出力電力に必要な燃料及び空気流の速度を正確に予測することは困難である。このため、コントローラは、スタックの電池が確実に十分な燃料を受け取って、燃料又は空気が欠乏しないように、燃料プロセッサに必要以上の燃料及び／又は空気を供給させることによって、十分なエラーのマージンを組み入れている。しかしながら、燃料電池のスタックは一般に入ってくる燃料の全てを消費するわけではなく、燃料電池システムの酸化剤によって燃焼される消費されない燃料を残しているため、そのようなコントロール技術は全く非効率である。
【０００７】
このため、前述した１つ以上の問題に取り組む装置及び／又は技術についての、継続的な要求がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態では、燃料電池用スタックに使用可能な技術には、スタックに燃料の流れを提供するステップ、燃料の流れを変化させるステップ及び燃料の流れの変化に対するスタックの少なくとも１つの電池の電圧の応答を観察するステップが含まれる。スタックの効率は、この観察に基づいて制御される。
【０００９】
本発明の利点及び他の特徴は、以下の説明、図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１を参照する。本発明による燃料電池システム１０の実施形態には、燃料電池用スタック２０が含まれる。この燃料電池用スタック２０は、それぞれ燃料プロセッサ２２及びエアブロワ２４によって供給される燃料及び酸化体の流れに応じて、負荷５０（例えば、住居用負荷）に対して電力を発生することができる。この方法では、燃料電池システム１０が燃料プロセッサ２２の燃料の発生をコントロールして、燃料が燃料電池用スタック２０に供給される速度をコントロールする。以下に説明するが、燃料電池システム１０は、燃料電池システム１０がどのように効率的に稼働しているかについてのインジケータとして１つ以上の測定された電池電圧を使用するので、燃料プロセッサ２２の制御を、燃料電池用スタック２０の測定された電池電圧に（少なくとも一部は）基づかせる。
【００１１】
図２を参照する。より具体的には、本発明のいくつかの実施形態では、システム１０は技術７０を使用して、燃料電池用スタック２０の効率を燃料の流れに関連してコントロールする。技術７０では、燃料の流れが燃料電池用スタック２０に提供され（ブロック７２）、流れの速度が変化される（ブロック７４）。この変化に対する少なくとも１つの電池電圧の応答が観察され（ブロック７６）、燃料電池用スタック２０の効率がこの観察に基づいて制御される（ブロック７８）。燃料電池用スタック２０の出力電力は時間と共に変化し、またスタック２０自体の動作も時間が経つと変わるので、ブロック７４，７６及び７８をループの中で連続して実行するために、技術７０はブロック７４に戻るステップを含む。
【００１２】
本発明のいくつかの実施形態では、燃料電池システム１０は電池電圧モニタリング回路４０（図１を参照のこと）を含んでいて、電池電圧を測定して、測定された電池電圧の示度（indication）を（例えば、シリアルバス４８を介して）システム１０のコントローラ６０に伝達する。コントローラ６０は（コントローラ６０のメモリ６３に記憶された）プログラム６５を実行し、測定された電圧を使用して燃料プロセッサ２２をコントロールして、技術７０を実行する。この方法では、本発明のいくつかの実施形態では、プログラム６５を実行することによって、コントローラ６０に図３に示したルーチン１００を実行させる。
【００１３】
図１及び図３を参照する。ルーチン１００は、例えば、燃料電池システム１０がシャットダウン状態から電源が投入された後で開始される。ルーチン１００では、コントローラ６０は、燃料電池用スタック２０の所定の出力電力に対して、適当な化学量論比を満足しまた多量の消費されない燃料を作らない、燃料の流れの速度を正確に指摘する。これにより、ルーチン１００は、燃料電池用スタック２０の効率を燃料の流れに関して最大にする。
【００１４】
ルーチン１００では、図３のブロック１０２で示すように、コントローラ６０は燃料プロセッサ２２を制御して、スタック２０への燃料の流れを所定の量だけ減少させる。この所定の量は、単にいくつかの例として、固定した量であっても又は現在の流量の所定の百分率であってもよい。次に、コントローラ６０は電池電圧の示度を得る（ブロック１０４）。例えば、本発明のいくつかの実施形態では、電池電圧モニタリング回路４０は、直前に測定された電池電圧の示度をシリアルバス４８を介してコントローラ６０に送る。本発明の特定の実施形態によれば、電池電圧モニタリング回路４０は、単にいくつかの例として、コントローラ６０が要求するときに電圧の示度を提供するか、又は定期的に示度を提供する。
【００１５】
コントローラ６０が電池電圧の示度を受け取った後で、燃料電池用スタック２０の効率を燃料の流れに関して改善することができるかどうかを、コントローラ６０は電池電圧から決定する（ダイヤモンド１０６）。この方法では、本発明のいくつかの実施形態では、燃料の流れが減少した後、燃料電池用スタック２０が十分な量の燃料を受け取っていることを電池電圧が示している場合、コントロールはブロック１０２に戻り、流量を再度減少させる。そうでない場合は、コントローラ６０は効率を最大にするように燃料の流れを正確に示して、燃料プロセッサ２２を制御して所定の量だけ燃料の流れを増加し（ブロック１０８）、燃料の流れの速度を最後に減少させた前のレベルまで戻す。例えば、コントローラ６０が燃料の流れを５．００％減少させ、その後、電池電圧の応答を観察することにより効率を向上させることができないと決定する場合、コントローラ６０は燃料の流れを５．２６％増加させて、燃料の流れを減少させる前のレベルに戻す。増加及び／又は減少についての別のレートも使用することができる。
【００１６】
燃料の流れを増加させた後、次に、コントローラ６０は所定の時間間隔（例えば、１〜５分間）だけ遅れてブロック１０２に戻る。ブロック１０２に戻ることは、スタック２０のエージング、負荷５０が要求する電力の変動などによる、潜在的に変化する動作状態を受け入れるために必要である。
【００１７】
ルーチン１００と組み合わせて、他のコントロールループも使用できることに注意されたい。例えば、コントローラ６０は、燃料電池用スタック２０のモニタされた出力電力に呼応して、燃料の流れを制御することができる。しかしながら、コントローラ６０はルーチン１００が提供するコントロールを続けて、燃料電池用スタック２０の効率を燃料の流れに関連して向上させる。
【００１８】
本発明のいくつかの実施形態では、コントローラ６０以外の回路を使用して、ルーチン１００の１つ以上の部分を実行することができる。例えば、本発明のいくつかの実施形態では、電池電圧モニタリング回路４０は、効率を向上させることができたかどうかを決定し、この決定に基づいて、燃料の流れを増加又は減少すべきかどうかをコントローラ６０に示すことができる。下記の説明を簡単にするために、他の変形例も可能であるが、効率を向上させることがでるかどうかをコントローラ６０が決定すると仮定する。
【００１９】
効率を向上させることができるかどうかをコントローラ６０が決定する方法は多数存在する。例えば、図４は、コントローラ６０がこの決定を（プログラム６５を実行する場合に）行うことができるルーチン１２０を示している。このルーチン１２０では、コントローラ６０は一度に１つずつ電池電圧の示度を検索し又は電池電圧を読み取って、対応する電池に十分な燃料が供給されていないことを電池電圧の１つが示しているかどうかを決定する。この方法では、コントローラ６０は電池電圧モニタリング回路が提供する次の電池電圧を読み取り（ブロック１２２）、この電池電圧を所定のしきい値（例えば、−０．５〜０．５ボルトの電圧）と比較する（ブロック１２４）。燃料電池用スタック２０の電池で燃料が不足している場合、電池の電圧は著しく低下し、この電圧降下の検出は電池電圧を所定のしきい値と比較することによって提供される。これにより、電池電圧が所定のしきい値未満であるとコントローラ６０が決定すると（ダイヤモンド１２６）、コントロールはルーチン１００のブロック１０８（図３を参照）に戻る。そうでない場合は、コントローラ６０は、全ての電池電圧を読み取ったかどうかを決定する（ダイヤモンド１２８）。読み取っていない場合は、コントローラ６０は次の電池電圧を読み取る（ブロック１２２）。全ての電池電圧が読み取られると、コントロールはルーチン１００のブロック１０２（図３を参照のこと）に戻る。
【００２０】
いくつかの実施形態では、許容可能な電圧範囲内で電池を維持するために使用することができる燃料の流れの限界を、燃料の流れに対して設定することができる。例えば、燃料の流れがそのような限界に対して増加された後で、電池電圧が所定のしきい値電圧未満のままである場合、例えば、自分自身をシャットオフする又は低効率信号又はアラームを発生するように、燃料電池システムをプログラムすることができる。別の実施形態では、燃料の流れの限界に達したとき、システムは燃料の流れをリセットし、次に同様に、酸化体の流れを増加して、低い電池電圧が所望のしきい値を超えることができるかどうかを調べることができる。燃料及び酸化体の流れを同時に扱うこともできる。別の実施形態も可能である。
【００２１】
図５は、別のルーチン１４０を示している。このルーチン１４０では、コントローラ６０を使用して、燃料電池用スタック２０の効率を燃料の流れに対して向上させることができるかどうかを決定する（図３のダイヤモンド１０６）。ルーチン１４０では、コントローラ６０は、一度に１つずつ電池電圧を読み取り、対応する電池に十分な燃料が供給されていないことを電池電圧の１つが示しているかどうかを決定する。しかしながら、ルーチン１００とは異なり、ルーチン１４０では、コントローラ６０はある数の電池電圧が所定のしきい値電圧未満に落ちることを許容している。
【００２２】
この方法では、ルーチン１４０では、コントローラ６０は電池電圧モニタリング回路４０が提供する次の電池電圧を読み取り（ブロック１４２）、この電池電圧を所定の電池電圧しきい値と比較する（ブロック１４４）。電池電圧が所定のしきい値未満であるとコントローラ６０が決定する場合（ダイヤモンド１４６）、コントローラ６０は、次に、所定の数（例えば、２〜１０の数）の電池電圧がしきい値未満に低下したかどうかを決定する（ダイヤモンド１４９）。しきい値未満に低下している場合、コントロールはルーチン１００のブロック１０８（図３を参照のこと）に戻る。そうでない場合は、コントロールは、電池電圧が電池電圧のしきい値未満ではないとコントローラ６０が決定する（ダイヤモンド１４６）場合にコントロールが移動する同じポイントのダイヤモンド１４８に移動する。ダイヤモンド１４８では、コントローラ６０は、全ての電池電圧が読み込まれたかどうかを決定する。読み込まれている場合、コントロールはルーチン１００のブロック１０２に移動する。そうでない場合は、コントロールは、コントローラ６０が次の電池電圧を読み取るブロック１４２に戻る。
【００２３】
図６は、燃料電池用スタック２０の効率を向上させることができるかどうかをコントローラ６０が決定する（ルーチン１００の図３のダイヤモンド１０６）ために使用する別のルーチン１６０を示している。ルーチン１６０では、コントローラ６０が、電池電圧モニタリング回路４０が提供する全ての電池電圧を読み取る。次に、コントローラ６０は電池電圧間の標準偏差を決定する（ブロック１６４）。標準偏差が所定の標準偏差のしきい値を超えるとコントローラ６０が決定する（ダイヤモンド１６６）場合、コントロールはルーチン１００のブロック１０８に移動する。そうでない場合は、コントロールはルーチン１００のブロック１０２に移動する。他の実施形態では、他の示度を標準偏差の代わりに使用してもよい。例えば、燃料の化学量論性が減少すると、スタック内のいくつかの「弱い」電池が、一般に、スタック内の残りの電池よりも早く燃料不足の徴候（例えば、電圧降下）を示す。燃料の化学量論性が減少すると、そのような電池が示す電圧降下は、指数関数的に又は少なくともスタック内の他の電池よりも早い速度で増加する。このため、特定の電池の所定の燃料の減少に対する相対的な電圧降下によって、コントロールがルーチン１００のブロック１０２と１０８との間に移動するような測定値（例えば、他の電池のそのような測定値又は所定のしきい値と比較することによって）も提供される。本発明のいくつかの実施形態では、燃料電池用スタック２０の電池の部分集合に基づいて、効率をコントロールすることができる。この方法では、図７を参照すると、燃料電池用スタック２０には、効率を制御する目的ではモニタされない電池２５及び効率を制御するためにモニタされる１つ以上の電池の部分集合２５が含まれる。
【００２４】
部分集合２５の１つ以上の電池は、本発明のいくつかの実施形態では、他の電池２３より先にそれらの電圧が所定の電池電圧のしきい値未満に低下するように特に構成される。例えば、部分集合２５に関連するフロープレートは、他の電池２３のチャネルよりも断面が狭い燃料の流れのチャネルを有し、かつ／又は部分集合２５に関連するフロープレートは、他の電池２３に関連するフロープレートよりもフロープレートのチャネルが少ない。これらの変形例は、他の電池と比較する場合、部分集合２５への燃料の流れを減少させる。このため、部分集合２５の１つ以上の電池の電圧は、他の電池２３の電圧よりも燃料の減少に敏感になる。
【００２５】
このように、前述した技術のいずれも、部分集合２５の電池に使用することができる。例えば、図８は、部分集合２５が単一の電池を含む場合に、ルーチン１００に代えて使用することができるルーチン１７０を示している。ルーチン１７０では、コントローラ６０は、ブロック１７２で示すように、スタック２０への燃料の流れを所定の量だけ減少させる。次に、コントローラ６０は電池２５の電圧の示度を得る（ブロック１７４）。続いて、コントローラ６０は、スタックの効率を燃料の流れに対して向上させることができるかどうかを電池の電圧から決定する（ダイヤモンド１７６）。コントローラ６０は、前述した技術の１つを用いて、これを実現することができる。
【００２６】
燃料の流れが減少した後、燃料電池用スタック２０が十分な量の燃料を受け取っていることを電池電圧が示している場合、コントロールはブロック１７２に戻り、流量を再度減少させる。そうでない場合は、コントローラ６０は効率に対して正しい燃料の流れを正確に示し、所定の量だけ燃料の流れを増加し（ブロック１７８）、燃料の流れの速度を最後に減少させた前のレベルまで戻す。次に、コントローラ６０は所定の時間間隔だけ遅れて（ブロック１８０）ブロック１７２に戻る。
【００２７】
再び図１を参照すると、燃料電池システム２０の他の特徴の中に、システム２０は電圧レギュレータ３０を備えている。この電圧レギュレータ３０は、ＶTERMスタック電圧（燃料電池用スタック２０の主出力端子３１によって供給されるＤＣ電圧）を制御し、この電圧をインバータ３３を介してＡＣ電圧に変換する。インバータ３３の出力端子３２は、負荷５０に接続される。燃料電池システム１０は、コントロールバルブ４４も備えている。このコントロールバルブ４４は、燃料電池用スタック２０への酸化体及び燃料の流れの緊急シャットオフを行う。コントロールバルブ４４は、それぞれ、吸込み用の燃料ライン３７及び酸化体ライン３９と、燃料電池用スタック２０への燃料及び酸化体のマニホールド入力部との間に接続されている。吸込み燃料ライン３７は燃料の流れを燃料プロセッサ２２から受け取り、吸込み酸化体ライン３９はエアブロワ２４から酸化体の流れを受け取る。
【００２８】
燃料電池システム２０は、水セパレータ３４及び３６のような水セパレータを含み、スタック２２の排出用の燃料及び酸化体ポートから水を回収する。水セパレータ３４及び３６によって集められた水は、燃料電池システム１０のクーラントサブシステム５４の水タンク（図示せず）に向けられる。このクーラントサブシステム５４は、クーラント（例えば、脱イオン水）を燃料電池用スタック２０を通って循環させて、スタック２０の動作温度を調節する。燃料電池システム１０は、酸化剤３８も含み、燃料電池の反応で消費されないスタック２２からの全ての燃料を燃焼させる。
【００２９】
燃料電池用スタック２０の電力出力をモニタするために、燃料電池システム１０は、スタック２０の主出力端子３１と電圧レギュレータ３０の入力端子との間に直列に接続された電流感知素子４９を備えている。電気通信ライン５２は、感知された電流の示度をコントローラ６０に送る。この方法では、コントローラ６０は、電流感知素子４９によって送られた出力電流の示度だけでなく、電池電圧の示度及び電池電圧モニタリング回路４０からのスタック電圧も使用して、燃料電池用スタック２０の出力電力を決定する。
【００３０】
燃料電池システム１０のシャットダウンの間に燃料電池用スタック２０から負荷を絶縁するために、システム１０はスイッチ２９（例えば、リレー回路）を含んでいる。このスイッチ２９は、スタック２０の主出力端子３１と電流感知素子４９の入力端子との間に接続されている。コントローラ６０は、電気通信ライン５０を介してスイッチ２９をコントロールする。
【００３１】
本発明のいくつかの実施形態では、コントローラ６０はマイクロコントローラ及び／又はマイクロプロセッサを備えて、プログラム６５を実行する場合、前述した１つ以上のルーチンを実行することができる。例えば、コントローラ６０は、メモリ６３として機能するリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）及びプログラム６５用の命令を記憶する記録媒体を含むマイクロコントローラを備えることができる。他のタイプの記録媒体を使用して、プログラム６５の命令を記憶することもできる。マイクロコントローラの種々のアナログ及びディジタルの外部ピンを使用して、電気通信ライン４６，５０及び５２並びにシリアルバス４８にわたる通信を確立するすることができる。本発明の別の実施形態では、マイクロコントローラとは別のダイ上に製造されたメモリが、メモリ６３として使用され、プログラム６５用の命令を記憶することができる。他の変形例も可能である。
【００３２】
図９は、本発明の実施形態による電池電圧モニタリング回路４０を示す。この電池電圧モニタリング回路４０は、電圧スキャニングユニット２００を含んでいる。それぞれの電圧スキャニングユニット２００は、電池の種々のグループの電圧に関連して、それらの電圧を測定する。この方法では、電気通信ライン２０２は、電圧スキャニングユニット２００を燃料電池用スタック２０の種々の端子に接続させてよい。各電圧スキャニングユニット２００のグラウンドは、２０００年１０月３１日に発行された「MEASURING CELL VOLTAGES OF A FUEL CELL STACK（燃料電池用スタックの電池電圧の測定）」という名称の米国特許第６，１４０，８２０号の中で説明されているように、関連する電池のグループの端子に基準化される。
【００３３】
本発明のいくつかの実施形態では、電池電圧モニタリング回路４０は、電池電圧モニタリングユニット２００からの測定された電池電圧の示度をインターフェース２０７に送る通信ライン２０６を含んでいる。このインターフェース２０７はバス２１２に接続され、バス２１２は、今度は、測定された電圧を表示するデータを記憶するメモリ２１４に接続される。電池電圧モニタリング回路４０のコントローラ２０８はプログラム２１０を実行し、コントローラ２０８により、定期的に電池電圧モニタリングユニット２００に電池電圧を測定させ、測定された電圧を示すデータをメモリ２１４に記憶させ、測定された電圧の示度をシリアルバス用インターフェース２２０にシリアルバス４８を介してコントローラ６０に送らせる。
【００３４】
本発明を限られた数の実施形態に関して説明してきたが、この開示の恩恵を有する当業者はこれらの実施形態からの多くの修正及び変更を理解されよう。添付した特許請求の範囲が、本発明の真の精神及び範囲の中に入る全てのそのような修正や変更をカバーするものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図２】本発明の実施形態による燃料電池システムの効率を制御する技術を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態による燃料電池システムの効率を制御する技術を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態による燃料電池システムの効率を制御する技術を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態による燃料電池システムの効率を制御する技術を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態による燃料電池システムの効率を制御する技術を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施形態による燃料電池用スタックの電池を示す図である。
【図８】本発明の実施形態による燃料電池システムの効率を制御する技術を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施形態による図１のシステムの電池電圧モニタリング回路の概略図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  燃料電池システム
２０  燃料電池用スタック
２２  燃料プロセッサ
２４  エアブロワ
３０  電圧レギュレータ
３３  インバータ
３８  酸化剤
４０  電池電圧モニタリング回路
４４  コントロールバルブ
５０  負荷
５４  クーラントサブシステム
６０  コントローラ
【図１】
2006108124.tif 000003
【図２】
2006108124.tif 000004
【図３】
2006108124.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006108124.tif 000007
【図６】
2006108124.tif 000008
【図７】
2006108124.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年2月15日(2006.2.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用スタックの一以上の燃料電池の一群を選択するステップと、
上記燃料電池用スタックへの燃料の流れを所定量減少させるステップと、
上記燃料の流れの減少に応答して電圧閾値未満に減少する電池電圧を有する上記一群の一以上の燃料電池の数を決定するステップと、
上記燃料の流れが上記スタックの効率が最大となる燃料の流れに近いことを上記数かが示すまで、上記減少ステップと上記決定ステップの操作を繰り返すステップと、
を含んでなる、燃料電池用スタックの効率を改良する方法。
【請求項２】
閾値数に到達する数に応答して、上記燃料の流れを所定量増加させるステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記燃料の流れを増加させる操作後に、所定の持続時間遅らせるステップと、
上記減少ステップと上記決定ステップの操作を繰り返すステップと
をさらに含んでなる請求項２に記載の方法。
【請求項４】
上記閾値電圧が、燃料の欠乏した燃料電池の電池電圧を含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
上記電池の一群が、上記燃料電池用スタックの電池の全てより少ない電池を含んでなる請求項１に記載の方法。
【請求項６】
燃料電池用スタックの効率を制御するためにモニタされる電池の一群と、
上記スタックに燃料の流れを提供する燃料プロセッサと、
上記燃料プロセッサと上記スタックとに接続された回路であって、
上記燃料電池用スタックへの燃料の流れを所定量減少させ、
上記燃料の流れの減少に応答して電圧閾値未満に減少する電池電圧を有する上記一群の一以上の燃料電池の数を決定し、
上記燃料の流れが上記スタックの効率を最大化する燃料の流れに近づくことを上記数が示すまで、上記燃料の流れの減少と上記数の決定を繰り返す回路と、
を備えてなるシステム。
【請求項７】
上記回路が、閾値数に届く数に応答して、上記燃料の流れを所定量増加させるものである請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
上記の燃料の流れを増加後、上記燃料電池用スタックへの上記燃料の流れを制御させ続ける前に、上記回路が所定の持続時間遅延する請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
上記閾値電圧が、燃料の欠乏した燃料電池の電池電圧を含む請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
上記電池の一群が、上記燃料電池用スタックの電池の全てよりも少ない電池を含んでなる請求項６に記載のシステム。