(57)【要約】１つの出力に電流を供給するように一緒に配列された複数の燃料電池を有する燃料電池システムの動作を制御する燃料電池コントローラであり、当該コントローラは、上記出力に上記燃料電池システムによって供給される電流の変化速度に関する上限を、これら燃料電池のうちの１または複数の燃料電池の少なくとも１つの電気パラメータ、例えば、これら複数の燃料電池の中の特定の燃料電池の最小電圧（ＶＭＣＶ）に基づいて動的に決定する。【選択図】図３
2019508841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの出力に電流を供給するように一緒に配列された複数の燃料電池を有する燃料電池システムの動作を制御する燃料電池コントローラにおいて、当該コントローラは、上記出力に上記燃料電池システムによって供給される電流の変化速度に関する上限を、上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池のうちの１または複数の燃料電池の少なくとも１つの電気パラメータに基づいて動的に決定し、上記上限に応じて、少なくとも上記電流の出力の変化について上記燃料電池システムを制御するように構成されることを特徴とする燃料電池コントローラ。
【請求項２】
上記電気パラメータまたはその各々が、上記出力において上記燃料電池システムによって供給される電流の変化速度に関する候補上限と、予め定められた関数によって関係づけられ、上記コントローラは上記候補上限またはその各々を用いて上記上限を決定するように構成される請求項１記載の燃料電池コントローラ。
【請求項３】
上記コントローラが複数の電気パラメータに基づいて上記上限を動的に設定するように構成され、かつ、上記コントローラが、予め定められた基準に基づいて、上記上限として、上記候補上限のうちの１つを選択することにより上記上限を決定するように構成される請求項２記載の燃料電池コントローラ。
【請求項４】
上記少なくとも１つの電気パラメータは、
（ｉ）上記複数の燃料電池の最も低い電圧を持つ、上記燃料電池システムの１つの燃料電池の電圧を有する、最小電池電圧；
（ｉｉ）上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池のうちの少なくとも２つの燃料電池の平均電圧に基づく電圧；
（ｉｉｉ）上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池のうちの大多数の燃料電池の平均電圧に基づく電圧；
（ｉｖ）最小の電圧を有する、上記燃料電池システムのうちの１つの燃料電池の電圧から、上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池の平均代表値を引いた電圧を有するスプレッド電圧；および
（ｖ）上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池の平均代表値から、最小の電圧を有する、上記燃料電池システムのうちの１つの燃料電池の電圧を引いた電圧を有する逆スプレッド電圧
のうちの１つまたは複数を有する、先行する請求項のいずれかに記載の燃料電池コントローラ。
【請求項５】
上記予め定められた基準は、上記候補上限のうちの最も小さいものを上記上限として選択することを有する請求項３記載の燃料電池コントローラ。
【請求項６】
上記予め定められた関数は、正および負の上限を供給するように構成され、負の上限を決定する際に、上記コントローラは、上記燃料電池システムを制御して、上記負の上限を上回ることなく上記電力出力を自動的に減少させ、他方、正の上限を決定する際に、上記コントローラは、上記燃料電池システムを制御して、電流出力の変化が要求されるときに上記上限が強制されるようになす請求項２記載の燃料電池コントローラ。
【請求項７】
上記電気パラメータは、少なくとも；
上記複数の燃料電池の最も低い電圧を持つ、上記燃料電池システムの１つの燃料電池の電圧を有する、最小電池電圧を有し；
上記コントローラは、予め定められた関数を使用して、上記最小電池電圧を、上記上限を決定するために使用される上記変化速度に関する候補上限にマッピングするように構成され、上記予め定められた関数は、最小電池電圧閾値を下回る、第１の領域であって、上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の上記変化速度に関する上記上限が負である、上記第１の領域と、上記最小電池電圧閾値を上回る、第２の領域であって、上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の上記変化速度に関する上記上限が正である、上記第２の領域とを有する、先行する請求項のいずれかに記載の燃料電池コントローラ。
【請求項８】
上記電気パラメータは、少なくとも；
上記複数の燃料電池の最も低い電圧を持つ、上記燃料電池システムの１つの燃料電池の電圧を有する、最小電池電圧を有し；
上記コントローラは、予め定められた関数を使用して、上記最小電池電圧を、上記上限を決定するために使用される上記変化速度に関する候補上限にマッピングするように構成され、上記予め定められた関数は、最小電池電圧の増加に関連して、限界増加領域と、後続の限界減少領域とを有し、
上記限界増加領域は、最小電池電圧を増加させると上記候補上限を増加させ、
上記限界減少領域は、最小電池電圧を増加させると上記候補上限を減少させる、先行する請求項のいずれかに記載の燃料電池コントローラ。
【請求項９】
上記電気パラメータは、少なくとも；
上記複数の燃料電池の最も低い電圧を持つ、上記燃料電池システムの１つの燃料電池の電圧を有する、最小電池電圧を有し；
上記コントローラは、予め定められた関数を使用して、上記最小電池電圧を、上記上限を決定するために使用される上記変化速度に関する候補上限にマッピングするように構成され、上記予め定められた関数は、第２最小電池電圧ＶＭＣＶ２おおび第３最小電池電圧閾値ＶＭＣＶ３の間の上記候補上限として供給される最大許容上限Ｌｍａｘを有し、上記第２の閾値および上記第３の閾値の間で、上記候補上限が上記最大許容上限より小さい値に設定される、先行する請求項のいずれかに記載の燃料電池コントローラ。
【請求項１０】
上記電気パラメータは、少なくとも；
最小の電圧を有する、上記燃料電池システムのうちの１つの燃料電池の電圧から、上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池の平均代表値を引いた電圧を有するスプレッド電圧を有し；
上記コントローラは、予め定められた関数を使用して、上記最小電池電圧を、上記上限を決定するために使用される上記変化速度に関する候補上限にマッピングするように構成され、上記予め定められた関数は、スプレッド電圧閾値を下回る、第１の領域であって、上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の上記変化速度に関する上記上限が負である、上記第１の領域と、上記スプレッド電圧閾値を上回る、第２の領域であって、上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の上記変化速度に関する上記上限が正である、上記第２の領域とを有する、先行する請求項のいずれかに記載の燃料電池コントローラ。
【請求項１１】
上記コントローラは、上記燃料電池システムの上記電気出力の変化を監視し、上記出力に供給される電流の上記変化速度が予め定められた量内に近づき、上記上限に到達または上回ったことに応じて上記燃料電池システムを制御して上記出力に供給される電流の上記変化速度を減少させるように構成される、先行する請求項のいずれかに記載の燃料電池コントローラ。
【請求項１２】
上記コントローラは、上記出力の所望の電力出力を有する電力指示を受け取るように構成され、上記コントローラは、さらに、上記燃料電池システムを制御して、上記電力指示に応じて上記電流を上記出力に供給し、上記電流出力の上記変化速度が上記上限を越えないようになす、先行する請求項のいずれかに記載の燃料電池コントローラ。
【請求項１３】
上記コントローラはユーザから電力指示を受け取るためのユーザインターフェースを含む請求項１２記載の燃料電池コントローラ。
【請求項１４】
上記コントローラは、１つまたは複数の電気パラメータ動作限界が上回っている場合に復旧電力指示を受け取るように構成され、上記コントローラは、さらに、上記燃料電池システムを制御して、上記復旧電力指示に応じて上記電流を上記出力に供給し、上記電流出力の上記変化速度が上記上限を越えないようになす、請求項１２に記載の燃料電池コントローラ。
【請求項１５】
１つの出力に電流を供給するように一緒に配列された複数の燃料電池と、先行する請求項のいずれかに従って上記燃料電池システムを制御して上記出力に供給される上記電流の変化速度について上限を供給するように構成されたコントローラとを有する燃料電池システム。
【請求項１６】
１つの出力に電流を供給するように一緒に配列された複数の燃料電池を有する燃料電池システムの動作を制御する方法において、
上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の変化速度に関する上限を、上記燃料電池システムの上記燃料電池のうちの１または複数の燃料電池の少なくとも１つの電気パラメータに基づいて決定することを特徴とする、上記方法。
【請求項１７】
コンピュータプログラム、または命令を具備するコンピュータプログラム製品であって、プロセッサで実行されるときに、上記プロセッサが、信号を供給して、
上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の変化速度に関する上限を、上記燃料電池システムの上記燃料電池のうちの１または複数の燃料電池の少なくとも１つの電気パラメータに基づいて決定し、
上記上限に応じて上記燃料電池システムの少なくとも上記電流出力の変化に関して上記燃料電池システムを制御することを特徴とするコンピュータプログラムまたはコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムの動作を制御するための燃料電池コントローラに関し、とくに、電力出力の過渡的変化を能動的に管理するための燃料電池コントローラに関する。この発明は、また、燃料電池システムの動作方法に関する。この発明は、また、上記コントローラを含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気化学燃料電池は、燃料および酸化剤を電気エネルギおよび反応生成物に変換する。慣用的なタイプの電気化学燃料電池は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を有し、このＭＥＡは、アノードとカソードとの間に高分子イオン（プロトン）伝達膜を含み、またガス拡散構造を含む。水素などの燃料と、空気からの酸素などの酸化剤とは、反応生成物として電気エネルギおよび水を生成するために、ＭＥＡのそれぞれの側面を通過する。別個のアノード流体流路およびカソード流体流路が配置された多数のこのような燃料電池を有するスタックが形成されてもよい。このようなスタックは、典型的には、ブロック形態であり、このブロックは、スタックのいずれかの端部で、エンドプレートによって一緒に保持された多数の個別の燃料電池プレートを有する。
【０００３】
効率的な操作のために、ポリマ製イオン移送膜が水和したままであることが重要である。また、スタックの温度を制御することも重要である。したがって、冷却剤が、冷却および／または水和のためにスタックに供給されてもよい。温度と冷却剤／水和流体の利用可能性とが、燃料電池の性能に影響を及ぼす可能性がある。しかし、燃料電池システムの性能は、また、ビルドおよびアセンブリの欠陥であれ、くわえて発生した劣化であれ、燃料電池システムの材料の品質に依存する。したがって、スタックの動作に影響する可能性がある複数の問題がある。さらに、燃料電池が期待通りの性能を発揮しない場合、起こる電気化学反応は望ましくなく、表面、コーティングおよび／または膜の劣化を引き起こす可能性がある。
【発明の開示】
【０００４】
この発明の第１の態様によれば、出力端に電流を供給するように一緒に配置された複数の燃料電池を含む燃料電池システムの動作を制御するための燃料電池コントローラが提供され、この燃料電池コントローラは、燃料電池システムによって供給される電流の変化速度の上限を、燃料電池システムの燃料電池のうちの１つ、またはそれ以上の燃料電池の少なくとも１つの電気パラメータに基づいて動的に決定するように構成され、また、当該上限に従って、少なくとも電流出力の変動に関して燃料電池システムを制御する。
【０００５】
これは、燃料電池の電気的な健全性に基づく電流出力の制御は効果的な制御を実現できるという点から、有益である。
【０００６】
１または複数の実施例において、上記電気パラメータまたはその各々が、上記出力において上記燃料電池システムによって供給される電流の変化速度に関する候補上限と、予め定められた関数によって関係づけられ、上記コントローラは上記候補上限またはその各々を用いて上記上限を決定するように構成される。
【０００７】
１または複数の実施例において、上記コントローラが複数の電気パラメータに基づいて上記上限を動的に設定するように構成され、かつ、上記コントローラが、予め定められた基準に基づいて、上記上限として、上記候補上限のうちの１つを選択することにより上記上限を決定するように構成される。
【０００８】
１または複数の実施例において、上記少なくとも１つの電気パラメータは、
（ｉ）上記複数の燃料電池の最も低い電圧を持つ、上記燃料電池システムの１つの燃料電池の電圧を有する、最小電池電圧；
（ｉｉ）上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池のうちの少なくとも２つの燃料電池の平均電圧に基づく電圧；
（ｉｉｉ）上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池のうちの大多数の燃料電池の平均電圧に基づく電圧；
（ｉｖ）最小の電圧を有する、上記燃料電池システムのうちの１つの燃料電池の電圧から、上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池の平均代表値を引いた電圧を有するスプレッド電圧；および
（ｖ）上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池の平均代表値から、最小の電圧を有する、上記燃料電池システムのうちの１つの燃料電池の電圧を引いた電圧を有する逆スプレッド電圧
のうちの１つまたは複数を有する。
【０００９】
１または複数の実施例において、上記予め定められた基準は、上記候補上限のうちの最も小さいものを上記上限として選択する。
【００１０】
１または複数の実施例において、上記予め定められた関数は、正および負の上限を供給するように構成され、負の上限を決定する際に、上記コントローラは、上記燃料電池システムを制御して、上記負の上限を上回ることなく上記電力出力を自動的に減少させ、他方、正の上限を決定する際に、上記コントローラは、上記燃料電池システムを制御して、電流出力の変化が要求されるときに上記上限が強制されるようになす。
【００１１】
１または複数の実施例において、上記電気パラメータは、少なくとも；
上記複数の燃料電池の最も低い電圧を持つ、上記燃料電池システムの１つの燃料電池の電圧を有する、最小電池電圧を有し；
上記コントローラは、予め定められた関数を使用して、上記最小電池電圧を、上記上限を決定するために使用される上記変化速度に関する候補上限にマッピングするように構成され、上記予め定められた関数は、最小電池電圧閾値を下回る、第１の領域であって、上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の上記変化速度に関する上記上限が負である、上記第１の領域と、上記最小電池電圧閾値を上回る、第２の領域であって、上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の上記変化速度に関する上記上限が正である、上記第２の領域とを有する。
【００１２】
１または複数の実施例において、上記電気パラメータは、少なくとも；
上記複数の燃料電池の最も低い電圧を持つ、上記燃料電池システムの１つの燃料電池の電圧を有する、最小電池電圧を有し；
上記コントローラは、予め定められた関数を使用して、上記最小電池電圧を、上記上限を決定するために使用される上記変化速度に関する候補上限にマッピングするように構成され、上記予め定められた関数は、最小電池電圧の増加に関連して、限界増加領域と、後続の限界減少領域とを有し、
上記限界増加領域は、最小電池電圧を増加させると上記候補上限を増加させ、
上記限界減少領域は、最小電池電圧を増加させると上記候補上限を減少させる。
【００１３】
１または複数の実施例において、上記電気パラメータは、少なくとも；
上記複数の燃料電池の最も低い電圧を持つ、上記燃料電池システムの１つの燃料電池の電圧を有する、最小電池電圧を有し；
上記コントローラは、予め定められた関数を使用して、上記最小電池電圧を、上記上限を決定するために使用される上記変化速度に関する候補上限にマッピングするように構成され、上記予め定められた関数は、第２最小電池電圧ＶＭＣＶ２おおび第３最小電池電圧閾値ＶＭＣＶ３の間の上記候補上限として供給される最大許容上限Ｌｍａｘを有し、上記第２の閾値および上記第３の閾値の間で、上記候補上限が上記最大許容上限より小さい値に設定される。
【００１４】
１または複数の実施例において、上記電気パラメータは、少なくとも；
最小の電圧を有する、上記燃料電池システムのうちの１つの燃料電池の電圧から、上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池の平均代表値を引いた電圧を有するスプレッド電圧を有し；
上記コントローラは、予め定められた関数を使用して、上記最小電池電圧を、上記上限を決定するために使用される上記変化速度に関する候補上限にマッピングするように構成され、上記予め定められた関数は、スプレッド電圧閾値を下回る、第１の領域であって、上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の上記変化速度に関する上記上限が負である、上記第１の領域と、上記スプレッド電圧閾値を上回る、第２の領域であって、上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の上記変化速度に関する上記上限が正である、上記第２の領域とを有する。
【００１５】
１または複数の実施例において、上記コントローラは、上記燃料電池システムの上記電気出力の変化を監視し、上記出力に供給される電流の上記変化速度が予め定められた量内に近づき、上記上限に到達または上回ったことに応じて上記燃料電池システムを制御して上記出力に供給される電流の上記変化速度を減少させるように構成される。
【００１６】
１または複数の実施例において、上記コントローラは、上記出力の所望の電力出力を有する電力指示を受け取るように構成され、上記コントローラは、さらに、上記燃料電池システムを制御して、上記電力指示に応じて上記電流を上記出力に供給し、上記電流出力の上記変化速度が上記上限を越えないようになす。
【００１７】
１または複数の実施例において、上記コントローラはユーザから電力指示を受け取るためのユーザインターフェースを含む。
【００１８】
１または複数の実施例において、上記コントローラは、１つまたは複数の電気パラメータ動作限界が上回っている場合に復旧電力指示を受け取るように構成され、上記コントローラは、さらに、上記燃料電池システムを制御して、上記復旧電力指示に応じて上記電流を上記出力に供給し、上記電流出力の上記変化速度が上記上限を越えないようになす。
【００１９】
この発明の他の側面によれば、１つの出力に電流を供給するように一緒に配列された複数の燃料電池と、先行する請求項のいずれかに従って上記燃料電池システムを制御して上記出力に供給される上記電流の変化速度について上限を供給するように構成されたコントローラとを有する燃料電池システムが供給される。
【００２０】
この発明の他の側面によれば、１つの出力に電流を供給するように一緒に配列された複数の燃料電池を有する燃料電池システムの動作を制御する方法において、
上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の変化速度に関する上限を、上記燃料電池システムの上記燃料電池のうちの１または複数の燃料電池の少なくとも１つの電気パラメータに基づいて決定することを特徴とする、上記方法が提供される。
【００２１】
この発明の他の側面によれば、  コンピュータプログラム、または命令を具備するコンピュータプログラム製品であって、プロセッサで実行されるときに、上記プロセッサが、信号を供給して、
上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の変化速度に関する上限を、上記燃料電池システムの上記燃料電池のうちの１または複数の燃料電池の少なくとも１つの電気パラメータに基づいて決定し、
上記上限に応じて上記燃料電池システムの少なくとも上記電流出力の変化に関して上記燃料電池システムを制御することを特徴とするコンピュータプログラムまたはコンピュータプログラム製品が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
以下の図面を参照して、この発明の実施例の詳細な説明が、単なる一例として、以下に続く。
【図１】燃料電池システムの模式図を示す。
【図２】例示的な燃料電池コントローラの模式図を示す。
【図３】燃料電池コントローラによって適用される第１の例示的な制御マップを示す。
【図４】燃料電池コントローラによって適用される第２の制御マップを示す。
【図５】例示的な方法を示すフローチャートを示す。
【図６】例示的な方法を実施するためのコンピュータプログラムコードを含むコンピュータ可読媒体を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
これらの図は、この例では、複数のプロトン交換膜燃料電池２が積み重ねられた燃料電池スタックを含む燃料電池アセンブリを有する燃料電池システム１を示している。この例の燃料電池アセンブリは、蒸発冷却される燃料電池アセンブリを有する。アセンブリの燃料電池２は、アノード入口３を通る水素のような燃料の流れと、カソード入口４を通る空気のような酸化剤の流れを受け取るように構成される。アノード排気口５は、燃料の流通を可能にするために設けられる。カソード排気口６は、酸化剤の流通を可能にするために設けられている。この例では燃料電池スタックが示されているが、コントローラは平面燃料電池装置またはその他の燃料電池装置にも適用可能であることが理解されるであろう。
【００２４】
燃料電池コントローラ１０は、燃料電池システムの動作を制御するために設けられている。コントローラ１０は、また、電気センサなどの１つ以上のセンサ１１（概略的に示す）を介して、燃料電池アセンブリ２の性能の１つまたは複数の測定値を受け取って良い。センサは、１つまたは複数の燃料電池または電池群からの電圧および／または電流を測定するための電圧計および／または電流計などの電気的特性測定センサを備えて良い。センサは、温度センサ、酸化剤／燃料流量センサ、酸化剤／燃料温度センサ、酸化剤／燃料ポンプ／圧縮機デューティセンサなどをさらに含んで良い。
【００２５】
燃料電池コントローラ１０は、センサからの生の測定値を用いて燃料電池システム１を能動的に制御するように構成されている。制御は、電気出力を制御すること、燃料および／または酸化剤の流量を制御することによって、または、センサの測定に影響を与えることができる他の方法によって実行されて良い。したがって、コントローラ１０は、燃料電池システム１の閉ループフィードバック制御を実行して良い。
【００２６】
図２は、コントローラ１０の模式図を示す。コントローラ１０は、燃料電池システムの燃料電池２のうちの１つまたはそれ以上の燃料電池の少なくとも１つの電気パラメータに基づいて、燃料電池システム１によって出力７に供給される電流の変化速度に関する上限２０を能動的に決定するように構成される。この例では、上限２０を決定するために２つの電気的パラメータ、すなわち、第１の電気的パラメータおよび第２の電気的パラメータが使用される。
【００２７】
コントローラ１０は、２１において、燃料電池システムを形成する複数の燃料電池２の平均電池電圧の実測値を受信するように構成される。実測値は、時間窓にわたる移動平均を含むような、平均および／または、フィルタ後の測定値を有して良い。コントローラは、燃料電池の各々から複数の電圧測定値を受け取り、平均値それ自体を決定してもよいことが理解されよう。
【００２８】
さらに、コントローラ１０は、２２において、最小電池電圧の実測値を受け取るように構成され、この実測値は、複数の燃料電池２の最も低い電圧を有する燃料電池システム１の燃料電池２の電圧を有する。実測値は、時間窓にわたって移動平均を含むような、平均および／または、フィルタ後の測定値を有して良い。コントローラは、燃料電池の各々から複数の電圧測定値を受け取り、最小電池電圧自体を決定することができることが理解されよう。
【００２９】
この実施例において、コントローラは平均燃料電池電圧および最小電池電圧を使用して平均電池電圧から最小電池電圧をマイナスした値を２３において計算するように構成される。他の例では、異なる要素がコントローラに「最小−平均」の実測値を供給して良い。参照を容易にするため、計算された平均電池電圧から最小電池電圧を差し引いたものをスプレッド電圧と呼ぶ。
【００３０】
これらの２つの電気的パラメータの一方または両方の使用は、特に燃料電池システムの健康状態を示すことが判明しており、したがって、燃料電池システムの電流過渡変化を制御するのに有効であることが見出されている。この実施例では、上限を決定するために２つの電気的パラメータが使用されるが、他の実施例では、異なる、または、より多いまたはより少ない、電気的パラメータが使用されて良いであろう。
【００３１】
各電気的パラメータは、燃料電池システムによって出力端に供給される電流の変化速度に関する上限候補に、予め定められた関数２４、２５を使用するコントローラによって、関連付けられる。予め定められた関数２４、２５については、図４および図５を参照して以下でより詳細に検討される。
【００３２】
コントローラ１０は、予め定められた関数２４、２５の出力２６に基づいて能動的に上限を設定するように構成される。コントローラは、予め定められた基準に基づいて候補上限のうちの１つを選択することによって上限２０を決定するように構成される。この例では、予め定められた基準は、最終的な上限として２４、２５から得られた候補上限のうちの低い方を選択することを有する。
【００３３】
この例では、予め定められた基準は２４、２５からの上限のうち低い方を選択することを含むが、予め定められた基準は、電気的パラメータまたは他のセンサに基づいて候補の上限のより高い方を選択すること、または、候補の上限の１つを選択することを含んで良い。例えば、寒い条件下では、選択を一方向に、暖かい条件下で異なる方向で行うことが好ましいことがあり、したがって選択は温度に基づいて良い。
【００３４】
さらに、コントローラ１０は、この例では、候補上限の１つを最終的な上限として選択するように構成されているが、コントローラは、候補上限を組み合わせて上限を形成する関数を使用して良い。例えば、この関数は、候補上限の平均値を採用することを含んで良く、または、候補上限と組み合わせて過去の上限を使用して良い。
【００３５】
この例では、コントローラ１０は、電力指示または電流設定点２７を受け取るように示されている。次に、コントローラ１０は、電流設定点２７、出力７における現在の電流出力および上限２０を使用して、２８に示すように燃料電池システムを制御する。燃料電池システムの制御は、この例では、燃料電池システムを電流出力の変化速度の上限を超えることなく電流設定点に向かって移動させる制御信号２９を出力することを含む。したがって、制御信号２９は、現在の電流出力と現在の設定値との間に、上限に違反しない期間にわたって供給するための複数の中間電力指示を有して良い。これにより、電流過渡変化が効果的に管理される。
【００３６】
コントローラは、ユーザ入力から導出された電力指示２７を受信するためのユーザインターフェースを含んで良い。燃料電池システムが車両の一部を形成する場合、ユーザインターフェースは車両制御装置の一部を形成して良い。
【００３７】
この例では、現在の設定点２７が第２のコントローラ３０から受信されるように示されている。第２のコントローラは、コントローラ１０に対する異なるパラメータに基づいて現在の設定点を決定して良い。１つまたは複数の例では、コントローラ１０は、燃料電池２の電気パラメータに基づいて（例えば、単独で、または、これを主として）制御を行って良く、他方、第２のコントローラは、燃料電池２を介して供給される流体の測定値に基づいて制御を行って良い。第２のコントローラ３０は、電力指示または電流設定点を３１で受信するように構成されている。この電流設定点は、ユーザによって定義されてもよく、またはさらに別のコントローラによって定義されてもよい。第２のコントローラ３０は、燃料電池スタック２に供給される１つ以上の流体の量および／または流速および／または温度を少なくとも含むセンサデータをさらに受け取る。流体は、燃料流、酸化剤流および／または水和流体または冷却流体を含んで良い。したがって、第２のコントローラ３０は、コントローラ１０が動作する、センサデータ３２および要求済み電流設定点３１に基づいて、現在の設定点２７を決定するように構成される。他の実施例では、第２のコントローラは、別の方法でコントローラ１０と一体化されてもよいことが理解されよう。
【００３８】
図３は、測定された最小電池電圧を電流の変化速度の候補上限にマッピングするために、ステップ２４でコントローラ１０によって使用される予め定められた関数４０を示す。
【００３９】
予め定められた関数４０は、第１の最小電池電圧閾値ＶＭＣＶ１以下では、コントローラが、出力７における負の電流変化速度の上限を設定するように構成されることを示す。さらに、この予め定められた関数は、第１の最小電池電圧閾値ＶＭＣＶ１を超えると、コントローラが、出力７における電流の変化速度の正の値に上限を設定するように構成されていることを示す。この例では、第１閾値ＶＭＣＶ１は実質的に０．４５Ｖである。
【００４０】
予め定められた関数は、第２の最小電池電圧閾値ＶＭＣＶ２と第３の最小電池電圧閾値ＶＭＣＶ３との間に提供される最大許容上限Ｌｍａｘをさらに備えてもよく、第２の閾値未満で第３の閾値を超える場合、上限はａ最大許容上限を下回る値に設定される。この例では、最大許容上限Ｌｍａｘは実質的に１００Ａ／秒であるが、例えば５０と１５０との間であってもよい。したがって、最小電池電圧が０．５２〜０．７Ｖの間であれば、燃料電池システムは健全な動作ウインドウ内にあると考えられ、高い正の電流要求過渡変化を要求することができる。
【００４１】
第２の最小電池電圧閾値ＶＭＣＶ２は、電池の電気化学に関連する。第２の閾値は、第１の閾値より大きくてもよい。第３の最小電池電圧閾値は第２の閾値よりも大きい。第１の閾値では、上限は０Ａ／秒に設定される。したがって、第１の閾値と第２の閾値との間で、コントローラは、最小電圧が装荷すると上限が増加するように構成される（すなわち、限界増加領域）。従って、最小電池電圧が０．５２〜０．４５Ｖの範囲内にある場合、コントローラは、スタックが不完全であり、非常に高い電力過渡が要求されるべきでないと推定するので、正の過渡速度を比例的に制限する。第３の閾値より上では、コントローラは、最小電圧が増加するにつれて減少する上限（すなわち、限界減少領域）を提供するように構成されてもよい。この限界減少領域は、コントローラが現在の過渡状態を徐々に制限するので有利である。なぜなら、高い最小電池電圧では、スタックの健全性があまり確実でないことが分かっているからである。特に、非常に高い最小電池電圧値（すなわち、約０．８Ｖのような第３の最小電池電圧閾値を超える）では、スタックから最大の正の過渡電流を要求すべきではない。これにより、開回路電圧保護が提供される。これは、これらの状態では、スタックが開回路電圧またはその近くにあり、かなりの電流を供給しないため、その健全性および動作能力がはっきりとわからないことがあるからである。
【００４２】
予め定められた関数は、電池の電気化学に関連する最小電圧より低い第４の閾値ＶＭＣＶ４をさらに含んで良い。第４の閾値ＶＭＣＶ４は、第１の閾値ＶＭＣＶ１よりも小さく、
ｉ）第４の閾値と第１の閾値との間で、測定された最小電池電圧が第１のレートで上限が増加し；
ｉｉ）第４の閾値以下では、測定された最小電池電圧が第１の速度とは異なる（かつ低くてもよい）第２の速度で上限が増加する。
【００４３】
第４の最小電池電圧閾値ＶＭＣＶ４は、実質的に０．４Ｖであってもよい。
【００４４】
第１から第４の閾値の任意の組み合わせまたはサブセットが提供されてもよいことは理解されよう。
【００４５】
図４は、測定された拡散電圧を変化速度の候補上限にマッピングするために、ステップ２５でコントローラ１０によって使用される、予め定められた関数５０を示す。
【００４６】
この予め定められた関数は、第１の拡散電圧閾値ＶＳＶ１を含み、その下で、コントローラは、負である出力７における電流の変化速度の上限を設定するように構成される。さらに、第１の拡散電圧閾値ＶＳＶ１を超えると、コントローラは、出力７における正の電流変化速度の上限を設定するように構成される。この例では、第１のスプレッド閾値ＶＳＶ１は実質的に−０．１１Ｖである。
【００４７】
この予め定められた関数５０は、スプレッド電圧が第２拡散電圧閾値ＶＳＶ２を上回っているときに提供される最大許容上限Ｌｍａｘをさらに含んで良い。第２のスプレッド電圧閾値よりも低い場合、上限は、許容される最大値よりも小さい値に設定される。この例では、最大許容上限Ｌｍａｘは実質的に１００Ａ／秒である。第２のスプレッド電圧閾値は実質的に−０．０４Ｖである。
【００４８】
この予め定められた関数５０は、スプレッド電圧が第３のスプレッド電圧閾値ＶＳＶ３を下回るときに提供される最大許容負上限Ｌｍａｘ＿ｎｅｇをさらに含んで良い。第３のスプレッド電圧閾値を超えると、上限は、許容される最大の負の上限よりも小さい値に設定される。この例では、最大許容負の上限Ｌｍａｘは実質的に−１００Ａ／秒であり、第３の拡散電圧閾値ＶＳＶ３は実質的に−０．２Ｖである。
【００４９】
この予め定められた関数５０は、第１のスプレッド電圧しきい値よりも大きい第４のスプレッド電圧しきい値ＶＳＶ４を含んで良く、
ｉ）第４のスプレッド電圧閾値を超えると、第１のレートでスプレッド電圧とともに上限が増加し；
ｉｉ）第４のスプレッド電圧閾値より下では、第１の速度とは異なる（かつ第１の速度よりも低くてもよい）第２の速度でのスプレッド電圧とともに上限が増加する。
【００５０】
第４のスプレッド電圧閾値ＶＳＶ４は、実質的に−０．０７５Ｖであってもよい。
【００５１】
予め定められた関数５０は、第１のスプレッド電圧しきい値よりも小さい第５のスプレッド電圧しきい値ＶＳＶ５を含むことができ、
ｉ）第５のスプレッド電圧閾値を超えると、上限は負であり、スプレッド電圧が第１の割合で増加し；
ｉｉ）第５のスプレッド閾値より下では、上限は負であり、第１のレートとは異なる（しかも、よい大きくてよい）第２のレートでスプレッド電圧とともに増加する。
【００５２】
第５のスプレッド電圧閾値ＶＳＶ４は、実質的に−０．１４Ｖであってもよい。
【００５３】
第１〜第５のスプレッド電圧閾値の任意の組合せ、またはサブセットが提供されてもよいことが理解されるであろう。
【００５４】
第１の最小電池電圧閾値（すなわち、最大許容変化速度ゼロの点）の周りの上限については、燃料電池システムがその領域で動作している間、電力の振動を排除するために、注意深い選択が重要である。オプションとして、予め定められた関数は、ゼロ電流過渡変化点のいずれかの側で正のレートではなく、より高い負のレートを適用するように構成して良い。
【００５５】
したがって、図２に戻って、コントローラ１０は、上限を超えないように燃料電池システムの制御を行うことによって上限を強制することができる。コントローラは、電流出力を能動的に制御して、上限に応じて電力指示を満たすことができる。代替的には、電力指示を受信せずに、電流の変化速度が２６で決定された上限を超える場合に介入するように作用してもよい。さらに、上で説明した上限は、電流出力が現在の出力が変化するレートを決定するために使用して良い。したがって、電力指示を受信すると、コントローラは、決定された上限で電流出力が変化するように燃料電池システムを制御して良い。
【００５６】
したがって、図２の例では、コントローラは、電力指令を受信し、燃料電池システム１を制御して、電力出力に応じて出力７に電流を供給し、電流出力の変化速度が上限を超えないようにする。しかし、他の例では、コントローラ１０は、７での電気出力の変化を監視し、出力端に供給される電流の変化速度が所定値内に近づくか、または、２８で計算した上限に達するかまたはそれを超えるかに応じて燃料電池システム１を制御して、出力において燃料電池システムによって供給される電流の変化速度を低減するように構成されて良い。
【００５７】
コントローラ１０は、１つ以上の電気的パラメータ動作限界を超えた場合に復旧パワー指示を受信するように構成されてもよく、コントローラはさらに、燃料電池システム１を制御して、復旧パワー支持に応じて出力７に電流を供給して、電流出力の変化速度が上限を超えないように構成されて良い。電気パラメータ動作限界は、最小個別燃料電池電圧またはスプレッド電圧によって定義して良い。したがって、コントローラ１０は、所定の電気的パラメータ（コントローラ１０によって使用される電気的パラメータと同じまたは異なる必要もない）が所定の動作限界を超えないことを保証する、より大きなコントローラの一部を形成して良い。したがって、復旧パワー指示は、一般に、出力７での電流出力の減少を要求して良く、コントローラ１０は、燃料電池システムを、要求パワー指示に移行させるように制御して良く、これには、予め定められた関数の一方または双方が負の上限を提供するときに負の上限が矯正されることがない。
【００５８】
この例では、復旧パワー指示は、２６において負である上限の決定と協調して、発行される。したがって、コントローラ１０が過渡変化電流の上限を決定し、その決定された上限が負である場合、コントローラは、復旧パワー指示に従ってパワー出力を減少させるように反応し、現在の電流出力から、負の上限を超えることなく復旧パワー指示によって決定された電流出力に移動するように構成されている。
【００５９】
一般に、予め定められた関数を使用する正および負の上限の決定は、コントローラが燃料電池システムが正しく動作していることを確実にするための便利な方法を提供する。従って、負の上限の決定に際し、コントローラは負の上限を越えることなく自動的に出力を低減し、正の上限の判定に際して、コントローラは電流出力の変更が要求されたときに上限を強制するように作用する。
【００６０】
図５は、コントローラ１０の動作を示すフローチャートを示す。ステップ６０は、燃料電池システムの１つ以上の燃料電池の少なくとも１つの電気的パラメータを決定することを含む。ステップ６１は、燃料電池システムの１つまたは複数の燃料電池の少なくとも１つの電気的パラメータに基づいて、出力における燃料電池システムによって供給される電流の変化速度の上限を能動的に設定することを含む。
【００６１】
図６は、コンパクトディスク７０の形態のコンピュータ可読媒体を示している。このコンピュータプログラムコードは、コントローラ１０の一部を形成することができるプロセッサおよびメモリ上で実行されると、図５の方法を実行し、および／または、コントローラ１０の関数を実現し、これは上述のとおりである。
【００６２】
コントローラ１０は、電気パラメータを使用して、燃料電池システムの健全性の評価を行い、燃料電池システムによって電流の変化がどのように提供されるかを制御できるので、有利である。さらに、コントローラは、燃料電池システムが所定の動作エンベロープ（電気パラメータ動作限界を使用して）で動作することを保証する他のコントローラと組み合わされて良く、コントローラ１０は、燃料電池システムの出力をその動作エンベロープの内部および外部において制御する。コントローラは、水分または冷却流体が凍結されるなど、燃料電池システムに依存する１つまたは複数の流体が冷間始動するときにも有利である。このような状況では、利用可能な水和流体の不足による低温システム状態およびその乾燥運転のために、システムの電気的挙動は予想される挙動から大きく外れる可能性がある。コントローラは、１つまたは複数の電気的パラメータを使用して電流出力トランジェントの上限を決定することができ、このような条件が有利である。
【００６３】
図３および図４は、予め定められた関数をグラフィカルマップとして示しているが、「予め定められた関数」という用語は、各測定されたパラメータがどのようにスタックの健全性および能力に変換されるかを決定し、この結果、電流過渡変化レートに関するどの上限が適切かを決定する計算または他のアルゴリズムを含む。
【００６４】
コントローラ１０は、第２のコントローラ３０のような反応物流体の流れベースのコントローラと並行して動作するように構成され、一体化するように構成されて良い。反応物流体流コントローラは、半応物の流れの測定値を使用して、電気出力を制御し、他方、本件のコントローラは電気パラメータを使用して出力電流の変化速度を制御する。
【符号の説明】
【００６５】
１    燃料電池システム
２    プロトン交換膜燃料電池
３    アノード入口
４    カソード入口
５    アノード排気口
６    カソード排気口
１０    燃料電池コントローラ
１１    センサ
３０    第２のコントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2019508841.tif 000009
2019508841.tif 000010