(57)【要約】【課題】所望の水和状態を達成するために、燃料電池の水和状態を制御し、燃料電池の動作を積極的に管理する方法を提供すること。【解決手段】この制御方法は、燃料電池の動作を制御するために使用される水和状態（８０ａ）と水和状態の変化率（８０ｂ）とを監視する。水和状態、水和状態の変化率及びその水和状態にとって望ましい動作範囲に基づいて、燃料電池の動作パラメータを変更する（９４）。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を動作させる方法であって、
（ａ）前記燃料電池の水和状態を監視するステップと、
（ｂ）前記水和状態に基づいて、前記燃料電池の動作パラメータを調整するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
（ａ）が前記水和状態の変化率を監視するステップを含み、
（ｂ）が前記水和状態と前記水和状態の前記変化率とに基づいて前記燃料電池の動作パラメータを調整するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記水和状態の変化率を監視するステップが、前記水和状態の前記変化率を予測する式に基づいて前記水和状態の変化率を計算するステップを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記水和状態の前記変化率を計算するステップが、前記燃料電池に流入する水と、前記燃料電池内で生成される水と、前記燃料電池から流出する水とを明らかにするステップを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
（ａ）が、第１の時刻ｔ１における前記燃料電池の水和状態を、第２の時刻ｔ２において先に推定された前記水和状態の変化率にｔ１とｔ２の時間差を乗じ、さらに前記第２の時刻ｔ２において先に推定された水和状態を加えることによって推定するステップを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記水和状態を所定の基準又は範囲と比較するステップをさらに含み、
（ｂ）が前記比較に基づいて前記動作パラメータを調整するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記燃料電池のそれまでの動作性能に基づいて前記所定の基準又は範囲を調整するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記所定の基準又は範囲を調整するステップが、前記燃料電池の瞬間電圧及び電流発生を前記燃料電池の先に達成された最適な電圧及び電流発生と比較するステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
（ａ）が、前記燃料電池の高周波抵抗に基づいて始動時における前記燃料電池の初期水和状態を決定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
（ａ）が、前記燃料電池の動作の先の停止時における前記燃料電池の最終水和状態に基づいて始動時における前記燃料電池の初期水和状態を決定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
低温状態から前記燃料電池の動作を始動するステップと、
前記低温始動に続いて前記燃料電池が水分過剰状態になることを可能にするステップと、
をさらに含み、
（ａ）が前記燃料電池の初期水和状態を１００％と評価するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記燃料電池の高周波抵抗を決定するステップと、
前記高周波抵抗に基づいて前記燃料電池の水和状態を確認するステップと、
前記監視された水和状態を前記高周波抵抗に基づいて確認された水和状態と比較するステップと、
前記比較に基づいて前記水和状態を調整するステップと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
（ｂ）が、前記水和状態に基づいて目標カソード流出物相対湿度を決定するステップと、前記目標カソード流出物相対湿度に基づいて動作パラメータを調整するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
（ｂ）が、前記燃料電池の動作パラメータの調整量を決定するためにアルゴリズムと前記水和状態とを使用するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
（ｂ）が、前記燃料電池の動作パラメータの調整量を決定するために検索表と前記水和状態とを使用するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
（ｂ）が、前記燃料電池に流れ込むカソード反応物の相対湿度、前記燃料電池を流れる冷却剤の温度、前記燃料電池内のカソード反応物の圧力、及び前記燃料電池に流れ込むカソード反応物の化学量論的量のうちの１つ又は複数を調整するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
（ｂ）が、前記水和状態を所定の範囲内に維持するために前記燃料電池の動作パラメータを調整するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
燃料電池スタックを有する燃料電池システムを動作させる方法であって、
（ａ）前記燃料電池スタックの現在の水和状態を確認するステップと、
（ｂ）前記燃料電池スタックの前記水和状態の現在の変化率を確認するステップと、
（ｃ）前記現在の水和状態と前記水和状態の前記現在の変化率とに基づいて前記燃料電池スタックの動作パラメータを調整するステップと、
を含む方法。
【請求項１９】
（ａ）が、先に確認された水和状態と前記水和状態の先に確認された変化率とに基づいて現在の水和状態を確認するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
（ａ）が、第１の時刻ｔ１における現在の水和状態を、第２の時刻ｔ２において先に確認された前記水和状態の変化率にｔ１とｔ２の時間差を乗じ、さらに前記第２の時刻ｔ２において先に確認された水和状態を加えることによって確認するステップを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記現在の水和状態を所定の基準又は範囲と比較するステップをさらに含み、
（ｃ）が前記比較に基づいて前記動作パラメータを調整するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記燃料電池スタックのそれまでの動作性能に基づいて前記所定の基準又は範囲を調整するステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
（ａ）が、前記燃料電池スタックの高周波抵抗に基づいて始動時における前記燃料電池スタックの初期水和状態を確認するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
（ａ）が、前記燃料電池スタックの動作の先の停止時における前記燃料電池スタックの最終水和状態に基づいて始動時における前記燃料電池スタックの初期水和状態を確認するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２５】
前記燃料電池スタックを始動させるステップと、
前記始動に続いて前記燃料電池スタックが水分過剰状態になることを可能にするステップと、
をさらに含み、（ａ）が前記燃料電池スタックの初期水和状態を１００％と評価するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
前記燃料電池スタックにおける１つ又は複数の燃料電池の高周波抵抗を確認するステップと、
前記高周波抵抗に基づいて、前記確認された現在の水和状態を調整するステップと、
をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
（ｃ）が、
前記現在の水和状態と前記水和状態の前記現在の変化率とに基づいて目標カソード流出物相対湿度を決定するステップと、
前記目標カソード流出物相対湿度に基づいて前記燃料電池スタックの動作パラメータを調整するステップと、
を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２８】
（ｃ）が、前記燃料電池スタックの動作パラメータの調整量を決定するためにアルゴリズムと前記現在の水和状態と前記水和状態の前記現在の変化率とを使用するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２９】
（ｃ）が、前記燃料電池スタックの動作パラメータの調整量を決定するために検索表と前記現在の水和状態と前記水和状態の前記現在の変化率とを使用するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項３０】
（ｃ）が、前記燃料電池スタックに流れ込むカソード反応物の相対湿度、前記燃料電池スタックを流れ抜ける冷却剤の温度、前記燃料電池スタック内のカソード反応物の圧力、及び前記燃料電池スタックに流れ込むカソード反応物の化学量論的量のうちの１つ又は複数を調整するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項３１】
カソード流路を流れるカソード反応物とアノード流路を流れるアノード反応物とを電気エネルギーに変換するように動作する、燃料電池スタックを有する燃料電池システムを動作させる方法であって、
（ａ）前記燃料電池スタックの現在の水和状態を確認するステップと、
（ｂ）前記燃料電池スタックの前記水和状態の現在の変化率を確認するステップと、
（ｃ）前記現在の水和状態を所定の基準又は範囲と比較するステップと、
（ｄ）前記比較に基づいて目標カソード流出物相対湿度を決定するステップと、
（ｅ）前記目標カソード流出物相対湿度に基づいて前記燃料電池スタックの動作パラメータを調整するステップと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、より詳細には、燃料電池の水和状態に基づいて燃料電池の動作を制御することに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気自動車、据え置き電源及びその他の用途で使用されている。１つの知られた燃料電池は、ＰＥＭ（すなわちプロトン交換膜）燃料電池であり、ＰＥＭ燃料電池は、一方の面にアノードを、反対の面にカソードを有する薄い固体高分子膜電解質を備える、いわゆるＭＥＡ（「膜電極接合体」）を含む。ＭＥＡは、アノード用及びカソード用の集電板として機能する１対の導電性接触要素の間に挟まれ、１対の導電性接触要素は、燃料電池のガス反応物（すなわちＨ２及びＯ２／空気）をアノード及びカソードそれぞれの表面に分配するための適切な通路及び開口を含むことができる。
【０００３】
ＰＥＭ燃料電池は複数のＭＥＡを備え、複数のＭＥＡは電気的に直列に積層されるが、バイポーラ板又は集電板として知られる不浸透性の導電性接触要素によって隣同士分離される。いくつかのタイプの燃料電池では、各バイポーラ板は、ＭＥＡの両側から熱を除去するために冷却液が流れ抜ける液体通路を間に挟んで結合された２枚の別個の板から構成される。他のタイプの燃料電池では、バイポーラ板は、各ＭＥＡの少なくとも一方の面が２枚のバイポーラ板を流れ抜ける冷却液によって冷却されるような繰り返しパターンで配置された単一板と結合板との両方を含む。
【０００４】
燃料電池は、ＭＥＡを加湿状態に維持するように動作させられる。ＭＥＡの湿度又は水和のレベルは、燃料電池の性能に影響する。ＭＥＡが湿度過剰だと、燃料電池スタックの性能が制限される。具体的には、液体の水の形成はＭＥＡへのガス拡散を阻害するので、ＭＥＡの性能を制限する。また、液体の水は流れ阻害物としても働き、セル・フローを低下させるばかりでなく、不安定な燃料電池性能を引き起こし得る更に高い燃料電池相対湿度を発生させる。加えて、燃料電池が動作を停止され、凍結状態にさらされた場合、電池内での液体の水の形成は、深刻な損傷の原因となり得る。すなわち、燃料電池が動作しておらず、燃料電池の温度が氷点下まで下がった場合、電池内の液体の水は凍結して膨張し、燃料電池を損傷する可能性がある。ＭＥＡが乾燥過剰であっても、性能が制限される。具体的には、湿度レベルが低下するにつれ、ＭＥＡのプロトン抵抗が（特に入口付近で）増加しはじめ、その結果、追加の余熱が生じて電気発生は低下する。さらに、膜の水分過剰及び乾燥の繰り返しを引き起こす、ＭＥＡの水分含有量の大きな循環は、膜の膨張及び収縮に起因する耐久性の著しい低下につながり得ることを耐久性データは示唆している。したがって、繰り返される水分過剰動作状態と乾燥動作状態とは、全体的な効率の低下をもたらし、ＭＥＡ及び燃料電池の耐久性を低下させることがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、燃料電池の効率的な動作を可能にし、及び／又は、ＭＥＡ及び燃料電池の耐久性への影響を最小限に抑えるように燃料電池の動作を制御することは有益である。燃料電池の動作を管理する従来の制御方法は、カソード流出物相対湿度を一定のレベルに維持することに集中していた。しかし、そのような方法は、燃料電池及び／又は燃料電池スタックの水和状態（すなわち、どれだけの水バッファが膜、拡散媒体及び通路に存在しているか）を監視しない。加えて、従来の制御方法は、燃料電池及び／又は燃料電池スタックの乾燥及び水分過剰を引き起こし得るプロセスの規定外変動を積極的に管理しない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池及び／又は燃料電池スタックの水和状態を監視し、水和状態に基づいて燃料電池及び／又は燃料電池スタックの動作を制御する。水和状態の変化率も監視され、燃料電池及び／又は燃料電池スタックの動作を制御するために使用される。水和状態、水和状態の変化率、及びその水和状態にとって望ましい動作範囲に基づいて燃料電池及び／又は燃料電池スタックの動作パラメータを変更する監視制御方法が実施される。したがって、本発明の制御方法は、燃料電池及び／又は燃料電池スタックの乾燥及び水分過剰を引き起こし得るプロセスの規定外変動を積極的に管理する。
【０００７】
本発明の原理による燃料電池を動作させる方法は、（１）燃料電池の水和状態を監視するステップと、（２）水和状態に基づいて燃料電池の動作パラメータを調整するステップとを含む。
【０００８】
本発明の別の態様においては、燃料電池スタックを有する燃料電池システムを動作させる方法が開示される。その方法は、（１）燃料電池スタックの現在の水和状態を確認するステップと、（２）燃料電池スタックの現在の水和状態の変化率を確認するステップと、（３）現在の水和状態と水和状態の現在の変化率とに基づいて燃料電池スタックの動作パラメータを調整するステップとを含む。
【０００９】
本発明のさらに別の態様では、カソード流路を流れるカソード反応物とアノード流路を流れるアノード反応物とを電気エネルギーに変換するように動作する燃料電池スタックを有する燃料電池システムを動作させる方法が開示される。その方法は、（１）燃料電池スタックの現在の水和状態を確認するステップと、（２）燃料電池スタックの水和状態の現在の変化率を確認するステップと、（３）現在の水和状態を所定の基準又は範囲と比較するステップと、（４）その比較に基づいて目標カソード流出物相対湿度を決定するステップと、（５）その目標カソード流出物相対湿度に基づいて燃料電池スタックの動作パラメータを調整するステップとを含む。
【００１０】
本発明を利用可能な更なる領域は、以降で行う詳細な説明から明らかになるであろう。理解されるように、詳細な説明及び具体的な例は、本発明の好ましい実施の形態を示しているが、単なる例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、詳細な説明及び添付の図面からより十分に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に示す好ましい実施の形態の説明は本質的に例示的なものにすぎず、本発明、本発明の用途又は使用法を限定するものではない。
本発明の原理による制御方法を使用できる例示的な燃料電池システム２０が図１に示されている。燃料電池システム２０は、スタック２２を形成するために互いに隣接して配置される複数の燃料電池２４から構成される燃料電池スタック２２を含む。燃料電池２４は、導電性の液冷式バイポーラ分離板によって互いに分離された膜電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。スタック２２の両端の燃料電池２４は、端子板と端部接触液体分配要素との間に配置される。端部液体分配要素及び各バイポーラ板の作用面又はサイドは、活性面上に溝又は通路に隣接する複数のランドを含み、アノード反応物及びカソード反応物（すなわちＨ２及びＯ２／空気）をＭＥＡに分配するためのフロー・フィールド（流路）を形成する。気体透過性導電拡散媒体が、端部接触液体分配要素と端子コレクタ極板との間でＭＥＡの電極面を押さえ、スタックが通常動作状態中に圧縮されたとき、その間に導電性通路を提供する。
【００１２】
この場合には空気の形をとるカソード反応物は、コンプレッサ２６及びカソード供給管２８を介して、燃料電池スタック２２のカソード・フロー・フィールドに供給される。代替として、カソード反応物は、加圧貯蔵タンク（図示されず）から供給されることもできる。カソード反応物ガスはコンプレッサ２６から、このケースでは水蒸気移転（ＷＶＴ）装置の形をとる加湿装置３０を流れ、そこで加湿される。次にカソード反応物ガスはオプションの熱交換器３２を通過し、燃料電池スタック２２に入る前に必要に応じて加熱又は冷却される。
【００１３】
次にカソード反応物ガスは燃料電池スタック２２のカソード反応物フロー・フィールド（カソード流路）を流れ、カソード流出物の形で、カソード排出管３４を介して燃料電池スタック２２から出る。カソード流出物はＷＶＴ装置３０を通る。
【００１４】
ＷＶＴ装置３０内で、カソード流出物の流れからの湿気が、燃料電池スタック２２に供給されるカソード反応物ガスに移転される。ＷＶＴ装置３０の動作は、カソード流出物の流れとカソード反応物の流れとの間での異なるレベルの水蒸気移転を提供するために調整されることができる。
【００１５】
Ｈ２の形をとるアノード反応物は、アノード供給管３６を介して、燃料電池スタック２２のアノード・フロー・フィールド（アノード流路）に供給される。アノード反応物ガスは、貯蔵タンクやメタノール又はガソリン改質器などから供給されることができる。アノード反応物はアノード反応物流路を流れ、アノード流出物の形でアノード排出管３８を介して燃料電池スタック２２から出る。
【００１６】
冷却剤が、冷却剤供給管４０を介して燃料電池スタック２２内の冷却剤流路に供給され、冷却剤出口管４２を介して燃料電池スタック２２から排出される。燃料電池スタック２２を流れる冷却剤は、アノード反応物とカソード反応物との間の反応によって燃料電池スタック内で発生した熱を取り除く。冷却剤はまた、燃料電池スタック２２内のカソード反応物流路全体を流れながら、カソード反応物及び／又はカソード流出物の温度を制御することもできる。オプションで、冷却剤は、燃料電池スタック２２に入る前に熱交換器３２を流れることができ、そうすることで、燃料電池スタック２２に入る前にカソード反応物ガスと冷却剤の温度を等しくすることができる。このようにして、燃料電池スタック２２に流れ込むカソード反応物の温度が所望の設定値になるように制御することができる。冷却剤とカソード反応物は、燃料電池スタック２２内で極めて迅速に同じ温度に均一化される。したがって、カソード反応物ガス流が燃料電池スタック２２を通って進むとき、カソード反応物ガスの温度は実質的に冷却剤の温度と同じである。
【００１７】
コントローラ４６は、燃料電池システム２０の様々な構成要素と通信し、それらの動作を制御し調整する。例えば、コントローラ４６はコンプレッサ２６と通信し、燃料電池スタック２２に供給されるカソード反応物の化学量論的量を制御する。また、コントローラ４６はＷＶＴ装置３０と通信し、燃料電池スタック２２に流れ込むカソード反応物の加湿を制御する。コントローラ４６は熱交換器３２と通信し、燃料電池スタック２２に流れ込むカソード反応物の温度を制御する。コントローラ４６は、冷却剤供給システムとも通信し、燃料電池スタック２２を通る冷却剤の流速を制御し、燃料電池スタック２２を通って送られる冷却剤の温度を制御する。また、コントローラ４６はアノード反応物供給システムとも通信し、燃料電池スタック２２に供給されるアノード反応物の量を制御する。
【００１８】
コントローラ４６は、単一のコントローラでも、燃料電池システム２０の所望の全体的動作を実現するために働きが調整された複数のコントローラでもよい。さらに、コントローラ４６は、指示された機能を実行するための１つ又は複数のモジュールを必要に応じて含むこともできる。本明細書で使用される「モジュール」という用語は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、電子回路、１つ又は複数のソフトウェア又はファームウェア・プログラムを実行するプロセッサ（共用もしくは専用プロセッサ又はプロセッサ群）及びメモリ、組み合わせ論理回路、あるいは所望の機能を提供するその他の適切な構成要素を指すものとする。
【００１９】
本発明は、燃料電池スタック２２内の燃料電池２４の膜及びその他の柔軟物の水和状態又は水分含有量を制御するための方法を提供する。燃料電池スタック２２及び燃料電池システム２０の所望の動作条件は、典型的には、スタック内の圧力、温度、化学量論及び相対湿度などのプロセス条件の区間を用いて定義される。結果の多変数空間（動作条件空間すなわちＯＣＳ）は、燃料電池スタック２２の最良の性能及び耐久性を引き出す定常標準動作境界を定める。しばしば、過渡的な動作はＯＣＳから外れたスタック状態を引き起こし、それがスタック、膜及び柔軟物の乾燥又は湿潤を引き起こす。
【００２０】
例えば、ＯＣＳ境界を下回る温度下降は、カソード反応物の水運搬能力の低下の原因となり、最後にはスタックの水分過剰につながる、燃料電池スタック２２内での水の蓄積を引き起こす。同様に、ＯＣＳ境界を上回る温度上昇は、反応によって生成されるよりも多量の水がカソード反応物を介して除去される原因となり、膜の乾燥を引き起こす。圧力、化学量論及びカソード反応物の入口相対湿度、又はそれらの任意の組み合わせにおける同様の規定外変動もまた、燃料電池スタック２２の水分過剰又は乾燥を引き起こし得る。上で述べられたように、水分過剰状態及び乾燥状態はどちらも、燃料電池スタック２２の性能低下を引き起こし得る。さらに、これらの状態間の循環は、膜の膨張及び収縮に起因する有害な影響を燃料電池スタック２２の耐久性に与えることが示されている。
【００２１】
ＯＣＳ境界を外れる規定外変動は、通常の駆動サイクルにおける負荷プロフィールに従うときの構成要素の動的限界に起因して実際のシステムにおいて発生するものと予想される。性能及び耐久性の低下は、プロセス条件の規定外変動に直接に起因するものではなく、むしろプロセス条件の規定外変動がスタック内での水の蓄積又は滞留に与える影響に起因する。これに対処するため、本発明は、燃料電池スタック２２の水和状態（ＳＯＨ）を監視し、スタック相対湿度にとって望ましい設定値を管理して、燃料電池スタック２２の膜内の水滞留を最適範囲内に維持する監視制御方法を使用する。
【００２２】
ここで図２を参照すると、本発明の方法による、燃料電池スタック２２及び燃料電池システム２０の動作を制御するためにコントローラ４６によって利用される監視ループの概略図が示されている。燃料電池スタック２２の動作パラメータは様々なセンサによって監視され、それらのセンサからの出力は滞留観測モジュール５０に伝えられる。例えば、カソード流路に流入する又はそこから流出するカソード・ガスの入口及び出口の圧力、入口及び出口の冷却剤温度、燃料電池スタック２２に流れ込むカソード及びアノード反応物の化学量論的量（ＳＴ）、ならびに燃料電池スタック２２に流れ込むカソード反応物及びアノード反応物の相対湿度が、滞留観測モジュール５０に伝えられる。滞留観測モジュール５０は水和状態の推定器を使用しており、希望性能が実現されるように燃料電池スタック２２の動作を調整又は制御するために使用される水和状態の変化率も決定する。水和状態及び水和状態の変化率に基づいて、滞留観測モジュール５０は、以下で説明するように、カソード流出物相対湿度の目標設定値を決定する。
【００２３】
燃料電池の水和状態（ＳＯＨ）は、膜よび拡散媒体内の水を含む燃料電池の全水摂取量（Ｍｗ）の尺度である。膜の水和は、ＰＥＭ燃料電池で使用されるナフィオン膜でのスルホン酸基当たりの水分子の比率（λ）として定義される。λの変動は膜のプロトン伝導性に影響を与え、燃料電池スタック２２の高周波抵抗（ＨＦＲ）により測定され得る。拡散媒体（ＤＭ）内での水滞留の程度はθとして定義される。パラメータθは、ＤＭの最大水摂取量に対するＤＭでの水の量の尺度であり、０と１の間の値をとる。拡散媒体内の水滞留は、膜が完全に飽和されて、すなわちλ＝λｍａｘとなって初めて開始する。ただし、λｍａｘは（スルホン酸の濃度など）膜の材料特性によって決定される。言い換えると、λ＝λｍａｘのときにのみθは０より大きく、θ＝０のときにのみλはλｍａｘより小さい。したがって、膜の部分的水和の変動は、燃料電池スタック２２のＨＦＲを介して検出及び推定され得る。しかし、膜が水で水分過剰状態になって、燃料電池２４の拡散媒体及び／又は通路内に水蓄積が生じると、ＨＦＲ信号はλの変動を測定することができなくなる。言い換えると、膜がひとたび水分過剰状態になると、ＨＦＲ信号はλに生じた変化を示していない。したがって、以下で一層詳細に説明するように、燃料電池スタック２２及び燃料電池システム２０の動作を制御するのに使用できる水和状態及びλの大きさを決定するために、一定の動作条件の期間にはＨＦＲ測定を使用することができる。ＨＦＲの測定は、「燃料電池の湿度レベルを制御するための装置及び方法」という名称の米国特許第６、３７６、１１１号に詳しく説明されており、同特許の開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【００２４】
滞留観測モジュール５０は、燃料電池膜の水和状態を推定し、また時間の関数として水和状態の変化率を推定するように動作する。推定水和状態は、以下で説明されるように、複数の方法で決定することができる。水和状態の推定変化率は、燃料電池スタック２２に流れ込む水、燃料電池スタック２２内で生成される水、及び燃料電池スタック２２から流出する水を考慮した式を使用して計算される。推定水和状態及び水和状態の推定変化率に基づいて、燃料電池スタック２２の動作は、最適又は所望の動作性能を実現するように調整される。
【００２５】
燃料電池スタック２２の動作期間に、燃料電池スタック２２内の膜の水和状態の初期推定又は決定が必要になる。この初期水和状態は複数の方法で決定することができる。初期水和状態を決定する第１の方法は、燃料電池スタック２２の以前の動作に基づいている。具体的には、燃料電池スタックの以前の動作期間に、燃料電池スタックの動作を停止するのに利用される停止手続きが、燃料電池スタックの所望の最終水和状態を提供するために制御される。次に、この最終水和状態は、その後の動作の始動時に燃料電池スタック２２の初期水和状態として使用される。アノード・フロー・フィールド及びカソード・フロー・フィールドを流れるガス・フローが存在しないので、未使用期間に燃料電池スタック２２の水和状態を変更すべきでない。
【００２６】
初期水和状態を決定する第２の方法は、始動時に最初に燃料電池スタック２２のＨＦＲを測定することによる。ＨＦＲの測定値は水和状態を示しており、したがって、燃料電池スタックを始動するときに利用できる初期水和状態を与える。しかし、理解されるように、この方法は、燃料電池スタック２２が水分過剰状態にない場合にのみ利用可能である。したがって、燃料電池スタックが最初に水分過剰状態から動作を開始する場合は、初期水和状態を決定するためのＨＦＲ測定値の使用は実現可能ではない。
【００２７】
初期水和状態を決定する第３の方法は、短時間（例えば５〜１０秒）後にスタックの水分過剰を引き起こす条件下で燃料電池スタック２２の動作を開始できるようにすることである。初期水和状態は水分過剰状態に対応する１００％であると仮定される。そのような仮定の使用は水和状態の実際の測定からかけ離れているわけではなく、したがって、初期水和状態を仮定するために使用することができる。この方法が利用される場合、典型的には、燃料電池スタック２２の継続動作が燃料電池スタック２２の水和状態を引き下げ、水分過剰状態から離れる。
【００２８】
したがって、滞留観測モジュール５０は、以前の停止時の水和状態、ＨＦＲ測定、又は水分過剰状態を仮定して初期ＳＯＨを１００％とすることのいずれかによって、燃料電池スタック２２の初期水和状態を決定するように動作することができる。
【００２９】
確認された初期水和状態を用いて、滞留観測モジュール５０は、動作中の燃料電池スタック２２の水和状態を監視し続けることができる。具体的には、滞留観測モジュール５０は、以下で説明するように、水和状態の変化率を計算し、その変化率を使用して燃料電池スタック２２の水和状態を動的に調整する。水和状態の変化率は、以下の式を使用して計算することができる。
【００３０】
【数１】
2006324242.tif 000003
【００３１】
ただし、ＭＷは燃料電池での水滞留［モル／セル］であり
【００３２】
【数２】
2006324242.tif 000004
【００３３】
は流入カソード反応物流での水のモル分率（流入ＲＨの関数）であり、
【００３４】
【数３】
2006324242.tif 000005
【００３５】
は入口での乾燥状態のカソード反応物のモル流量［モル／セル］であり、
ｊＡは電流密度×燃料電池の面積（全電流）［アンペア］であり、
Ｆはファラデー定数［モルｅ−／アンペア］であり、
【００３６】
【数４】
2006324242.tif 000006
【００３７】
はカソード反応物の流れにおける水のモル分率（出口ＲＨの関数）であり、
【００３８】
【数５】
2006324242.tif 000007
【００３９】
は乾燥状態でのカソード反応物のモル流量［モル／秒］である。
式（１）の右辺の第１項は、カソード反応物と共に燃料電池スタック２２に入ってくる水を表し、中間の項は、動作期間に燃料電池２４及び燃料電池スタック２２内で生成される水を表し、第３項は、燃料電池スタック２２から出ていくカソード流出物内の水を表している。式（１）を使用することによって、滞留観測モジュール５０は、燃料電池内の全体的な水滞留の、言い換えれば水和状態の変化率を決定することができる。ＭＷが膜での水（λの関数）と拡散媒体での水（θの関数）との和であることに留意されたい。
【００４０】
滞留観測モジュール５０は、燃料電池スタック２２の現在の水和状態を決定するために、水和状態の直前の変化率と共に、直前の水和状態を使用する。具体的には、現在の水和状態を決定するために以下の式を使用することができる。
【００４１】
【数６】
2006324242.tif 000008
【００４２】
ただし、
ｔｎ＝決定を行う当該現在時刻
ｔｎ−１＝決定が行われた以前の時刻
ｔｎ−ｔｎ−１＝決定間の経過時間
である。したがって、以前に決定された燃料電池内の水摂取量、燃料電池内の水摂取量の以前に決定された変化率、及び、以前の決定と当該現在時刻との間の時間間隔を利用して、現在の水和状態を決定することができる。
【００４３】
滞留観測モジュール５０は、燃料電池スタック２２の一定の動作条件において、水和状態の決定を確認することができる。具体的には、膜が１００％未満の湿度状態にある期間に、滞留観測モジュール５０は、決定された水和状態を確認するために、燃料電池スタック２２のＨＦＲ測定を利用することができる。上で述べたように、ＨＦＲ測定値は、膜が１００％未満の水和状態にある場合、膜の水和状態と直接に相関している。したがって、燃料電池スタック２２が非水分過剰状態で動作している期間には、滞留観測モジュール５０はＨＦＲに基づいて実際の水和状態を決定することができ、式（２）に基づいて計算された水和状態を補正することができる。この補正された水和状態は、次の対象期間における水和状態を将来決定する際に利用される。したがって、状態が膜の部分的湿潤を生じていてＨＦＲを測定することができるときはいつでも、推定水和状態をリセット又は調整することができる。
【００４４】
滞留観測モジュール５０は、確認された水和状態を、燃料電池スタック２２の所望の水和状態に関する所定の基準又は範囲と比較する。この比較に基づいて、水和状態を所定の基準又は範囲内で維持又は達成するために、以下で一層詳しく説明するように、補正動作を行うことができる。滞留観測モジュール５０は、所定の基準又は範囲に対する水和状態及び水和状態の変化率に基づいて、燃料電池スタック２２から出ていくカソード流出物の目標ＲＨ設定値を確認する。滞留観測モジュール５０は、カソード流出物の目標ＲＨ設定値を決定するために、ＰＩアルゴリズム又はＰＩＤアルゴリズムを使用する。アルゴリズムは、水和状態が所定の基準又は範囲にどれくらい近いかを考慮する。アルゴリズムは、ＲＨ設定値を決定する際に、水和状態が変化している速さ及び水和状態が変化する方向も考慮する。
【００４５】
現在の水和状態が所望動作範囲の上限又は下限に接近するにつれて、補正動作は、水和状態の変化率及び水和状態が変化している方向に応じて、より大幅なものにすることができる。例えば、水和状態が上限に向って上昇しており、水和状態が上昇し続けるであろうことを変化率が示している場合には、水和状態が低下していることを水和状態の変化率が示している場合に比べて、より大幅な補正動作を行うことができる。加えて、カソード流出物の目標ＲＨ設定値は、燃料電池スタック２２の現在の動作出力レベルも考慮することができる。例えば、高電流密度の動作が生じている場合、ＭＥＡとカソード流路内のカソード・ガスとの間の湿度の不平衡に起因して、より低いＲＨ設定値を目標にすることができる。反対に、低出力動作期間には、膜の湿度は流路内のカソード・ガスの相対湿度に近いため、より高いＲＨ設定円を目標にすることができる。
【００４６】
滞留観測モジュール５０によって使用される特定のアルゴリズムは、燃料電池スタック２２及び燃料電池システム２０の設計に応じて変化する。例えば、様々な燃料電池スタック及び／又は燃料電池システムは、燃料電池システム及び／又はスタックの典型的な駆動サイクルにおける負荷プロフィールに従うとき、異なる動的限界及び応答を有する構成要素を持つことができる。加えて、燃料電池スタック及び／又は燃料電池システムは、選択されるアルゴリズムにも影響を与えるそれらの使用法に応じて、異なる予想駆動サイクルを有することもできる。例えば、燃料電池スタック２２が据え置き電源として使用される場合、電力需要は比較的一定である。対照的に、燃料電池スタックが自動車で使用される場合、電力需要はきわめて動的に絶えず変化する。これらの異なるタイプの燃料電池スタックは、所望の動作を達成するために異なる動的特性を有することができ、したがって、所望の間隔又は範囲内に水和状態を維持するために、異なる制御アルゴリズムを必要とする。
【００４７】
ＰＩ又はＰＩＤ制御アルゴリズムを使用する代替として、滞留観測モジュール５０は、水和状態、水和状態の変化率及び水和状態の所定の基準又は範囲に基づいて、燃料電池スタック２２から出ていくカソード流出物にとって適切なＲＨ設定値を決定するために、検索表モジュール５２を使用することができる。検索表モジュール５２は、現在の水和状態及び水和状態の現在の変化率を含む燃料電池スタック２２の動作パラメータに基づいて、カソード流出物の適切なＲＨ設定値を提供する様々な表を含む。検索表におけるデータは、燃料電池スタック２２又は同等の燃料電池スタックの動作から収集された経験的データに基づいている。したがって、検索表は、カソード流出物の所望の相対湿度設定値を提供する。
【００４８】
滞留観測モジュール５０は、カソード流出物の目標ＲＨ設定値をＲＨ制御アルゴリズム・モジュール５４に伝える。ＲＨ制御アルゴリズム・モジュール５４は、カソード流出物の目標ＲＨ設定値を達成するために、燃料電池スタック２２の（入／出側カソード圧力、入／出側冷却剤温度、カソード化学量論及びカソード入口ＲＨなどの）動作パラメータに対する適切な変更／調整を確認する。目標ＲＨ設定値及び目標ＲＨ設定値を満たすための調整は、燃料電池スタック２２の所望の動作を実現する所定の基準又は範囲に一致し又は含まれる、燃料電池スタック２２内の水和状態を達成することを意図したものである。変更及び調整は燃料電池スタック２２に課される電力要求も考慮する。
【００４９】
ＲＨ制御アルゴリズム・モジュール５４は、動作パラメータに対する適切な変更／調整をサブシステム・コントローラ・モジュール５８に送る。サブシステム・コントローラ・モジュール５８は、燃料電池スタックの動作パラメータに対する適切な変更／調整を知らせるために、燃料電池スタック２２のアクチュエータ及び／又は構成要素を調整するように動作する。例えば、サブシステム・コントローラ・モジュール５８は、燃料電池スタック２２を流れる冷却剤の速度、燃料電池スタックに入ってくる冷却剤及び燃料電池スタックから出ていく冷却剤の温度を制御することができる。さらに、サブシステム・コントローラ・モジュール５８は、燃料電池スタック２２に流れ込むカソード反応物の化学量論的量に対する調整を可能にするために、コンプレッサ２６の動作を制御することができる。サブシステム・コントローラ・モジュール５８はまた、コンプレッサ２６又はカソード流路内の様々な弁もしくは圧力調節器（図示されず）の動作を調整することによって、カソード流路中で生じる圧力低下を制御することもできる。また、サブシステム・コントローラ・モジュール５８は、燃料電池スタック２２に流れ込むカソード反応物の相対湿度を調整するために、ＷＶＴ装置３０の動作を制御することができる。サブシステム・コントローラ・モジュール５８はまた、カソード反応物に所望の入口温度を与えるために、オプションの熱交換器３２の動作を制御することもできる。したがって、サブシステム・コントローラ・モジュール５８は燃料電池スタック２２の様々な動作パラメータを調整することができる。制御アルゴリズム・モジュール５４はサブシステム・コントローラ・モジュール５８と通信し、燃料電池スタック２２の動作パラメータを調整して目標ＲＨ設定値及び所望の水和状態を達成するためにサブシステム・コントローラ・モジュール５８が使用する入力を提供する。
【００５０】
したがって、本発明の監視制御ループにおいては、滞留観測モジュール５０は燃料電池スタック２２内のプロセス状態を監視し、スタック内の水和状態を水和状態の変化率と共に決定し、カソード流出物の目標相対湿度設定値を決定する。水和状態が所望の設定値又は範囲の上限値に接近し及び／又はそれを上回った場合、燃料電池スタック２２から流れ出すカソード流出物の目標相対湿度設定値は低減される。水和状態が所望の設定値又は範囲の下限値に接近し及び／又はそれを下回った場合、燃料電池スタック２２から流れ出すカソード流出物の目標相対湿度設定値は増大される。相対湿度設定値がどれだけ速くまたどれだけ大きく修正されるかは、ＯＣＳから外れたプロセス規定外変動の程度に、又は実際的には水和状態が最適又は所望の状態からどれだけ大きく逸脱しまた逸脱しつつあるかに依存する。したがって、この手法は、プロセス状態がＯＣＳから外れたときでも、所望の間隔内に水和状態を維持することを可能にする。
【００５１】
ここで図３を参照すると、本発明で使用される制御方法の簡略化フローチャートが示されている。この制御方法は、ブロック７６に示すように、燃料電池スタックの始動で開始する。ブロック７８に示すように、燃料電池スタック２２の動作パラメータが監視される。滞留観測モジュール５０は、ブロック８０に示すように、動作パラメータを使用して、燃料電池スタック２２の現在の水和状態及び水和状態の現在の変化率を決定する。
【００５２】
始動時には、初期水和状態が現在の水和状態として使用される。上で述べたように、初期水和状態は、以前の停止時における燃料電池スタックの以前の水和状態又は高周波抵抗の測定を使用することによって、或いは、１００％の初期水和状態を使用して燃料電池スタックを水分過剰状態にむけて動作させることによって決定することができる。燃料電池スタック２２の通常動作期間には、水和状態の決定は、上で説明したように式（２）を使用することによって実行される。オプションとして、ブロック８２に示し且つ上で説明したように、高周波抵抗の測定を使用することによって、現在の水和状態を補正することができる。ブロック８０ａに示すように、水和状態が決定され、それと共に、ブロック８０ｂに示すように、水和状態の変化率が決定される。上で説明したように、水和状態の変化率は式（１）を使用して決定される。
【００５３】
ブロック８４に示すように、現在の水和状態が所定の基準又は範囲と比較される。所定の基準又は範囲は、燃料電池スタック２２の所望の及び／又は最適な動作を実現するために選択される。例えば、燃料電池スタック２２の高電流密度動作を実現するように水和状態を選択することができる。所定の基準又は範囲は、特定の燃料電池スタックに対する標準化された分極曲線又は性能曲線に基づくことができる。
【００５４】
代替として、ブロック８６に示すように、所定の基準又は範囲は、燃料電池スタック２２の特定の以前の動作性能に基づいて加減又は調整されることができる。所定の基準又は範囲の調整は、燃料電池スタック２２の瞬間電圧及び電流情報を、以前に達成された最良又は最適動作性能と比較することによって行うことができる。以前に達成された性能は、過去数日、過去数週間、又は燃料電池スタックの全動作履歴に基づくことができる。所定の基準又は範囲を調整して標準化された分極曲線の代わりに最近の最良動作情報を使用することによって、経時的な性能低下又は基準からの特定のスタック性能の逸脱を考慮することができる。その結果、燃料電池スタック２２の特定の機能にとっての最適性能を実現し、それらの機能の経時変化を明らかにするために、所定の基準又は範囲を選択することができる。
【００５５】
水和状態を所定の基準又は範囲と比較すると、ブロック８８に示すように、燃料電池スタック２２から流れ出るカソード流出物の目標相対湿度設定値が決定される。滞留観測モジュール５０は、ブロック９０に示すようにアルゴリズムを使用して、又は代替として、ブロック９２に示すように検索表モジュール５２によって、相対湿度設定値を決定することができる。
【００５６】
カソード流出物の目標相対湿度設定値が決定された後、ＲＨ制御アルゴリズム・モジュール５４が、ブロック９３に示すように、燃料電池スタック２２の動作パラメータに対する必要な調整を決定する。次いで、サブシステム・コントローラ・モジュール５８が、ブロック９４に示すように、ＲＨ制御アルゴリズム・モジュール５４によって決定された必要な調整に応じて動作パラメータを調整する。
【００５７】
燃料電池スタック２２及び燃料電池システム２０が動作し続けるとき、監視ループは活動状態を維持し、ブロック７８から９４に示される制御方法が実行され続ける。判断ブロック９６に示すように燃料電池スタック２２を停止させている場合、コントローラ４６はブロック９８に示すように停止手続きを実施する。停止手続きは、個々の燃料電池スタック２２及び燃料電池スタック２２の使用法に応じて様々であり得る。例えば、燃料電池スタック２２が凍結環境に置かれる場合、凍結状態によって引き起こされる損傷を回避するために、停止前に、停止手続きは一定量の水を除去しようと、又は燃料電池スタック２２の一定の水和状態を得ようと試みることができる。停止手続きは、燃料電池スタック２２の所望の水和状態を得る又は達成するステップを含むことができる。特定の水和状態が達成された場合、この情報は、上で説明したように、燃料電池スタック２２の後続の動作において動作始動時の初期水和状態として使用されることができる。停止手続きを実行した後、ブロック１００に示すように、燃料電池スタック２２の動作は終了する。
【００５８】
したがって、本発明の方法を利用する燃料電池スタックの動作は高電流密度動作を可能にし、ＯＣＳから外れた規定外変動を積極的に管理する。これにより、一層高い効率での動作が可能になり、燃料電池水分過剰に関連する低出力不安定問題にも役立つ。さらに、この手法は、燃料電池スタック２２内の燃料電池の耐久性に対するプロセス条件の規定外変動の影響を最小限に抑える。加えて、この制御手法は、自動車の運転サイクルで利用される燃料電池スタックに関連する過渡状態期間であっても、水分過剰状態と乾燥状態の循環を最小限に抑える。したがって、本発明の制御方法は、有利なことに、燃料電池性能に対するプロセス規定外変動の動的影響を考慮し、このプロセス規定外変動を積極的に管理する。これらのプロセス規定外変動の積極的な管理は、これまで利用されてきた定常状態指向型制御手法よりも優れた性能を実現する。
【００５９】
本発明を特定の燃料電池システム２０及び監視制御ループを参照して明らかにし、説明してきたが、理解されるように、本発明の主旨及び範囲から逸脱することなく変形を施すことができる。例えば、燃料電池システム２０の構成は図示されたものとは異なってよい。燃料電池システム２０は、ＷＶＴ装置３０及び／又は熱交換器３２とは異なる装置を利用して、これらの機能を提供することができる。さらに、本発明は、燃料電池スタック２２から出ていくカソード流出物の目標相対湿度設定値を提供するものとして開示されたが、理解されるように、入／出側カソード圧力、カソード化学量論、カソード入口ＲＨ、及び入／出側冷却剤温度など、その他のパラメータが目標設定値を有し、その目標設定値を満たすために残りのパラメータを調整しながら、燃料電池スタック２２の所望動作を達成することができる。加えて、先に説明された滞留モデルはアノード入口及びアノード出口の項をさらに含むことができる。したがって、本発明の説明は本質的に例示的なものにすぎず、本発明の主意から逸脱しない変形は本発明の範囲内にある。そのような変形は本発明の主旨及び範囲からの逸脱とは見なされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の制御方法を利用できる例示的な燃料電池システムの概略図である。
【図２】本発明の原理に従って燃料電池スタックの水和状態を管理するための監視方式の概略図である。
【図３】本発明の制御方法を示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００６１】
２０  燃料電池システム
２２  燃料電池スタック
２４  燃料電池
２６  圧縮機
２８  カソード供給管
３０  加湿装置
３２  熱交換器
３４  カソード排出管
３６  アノード供給管
３８  アノード排出管
４０  冷却剤供給管
４２  冷却剤出口管
４６  コントローラ
５０  滞留観測モジュール
５２  検索表モジュール
５４  ＲＨ制御アルゴリズム・モジュール
５８  サブシステム・コントローラ・モジュール
【図１】
2006324242.tif 000009
【図２】
2006324242.tif 000010
【図３】
2006324242.tif 000011