(57)【要約】エネルギー管理システムは、車両が走行していない間、燃料電池システムの温度を制御する。本エネルギー管理システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックに空気を供給する送風機と、給水槽と、水素供給槽とを含む。水素供給槽と、燃料電池スタックとの間に水素供給弁が接続している。燃料電池スタックの出力側にヒータが接続している。制御装置は水素供給弁と送風機とを制御して、燃料電池スタックと給水槽を暖めるためにヒータに電力供給する。加熱が必要であり、かつ貯槽レベル信号が最初の貯槽レベル値を超える場合、制御装置は、送風機を始動し、水素供給弁を開く。貯槽レベル信号が最初の貯槽レベル値を超えない場合、制御装置はパージを起動させ、給水槽から水を排出し、かつ車両の始動を禁止する。
2005518641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両が走行していない間、前記車両の燃料電池の温度を制御するエネルギー管理システムであって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに空気を供給する送風機と、
給水槽と、
水素供給槽と、
前記水素供給槽と、前記燃料電池スタックとの間に接続されている水素供給弁と、
前記燃料電池スタックの出力側に接続されているヒータと、
前記車両が走行していない間、前記水素供給弁と前記送風機とを制御して、前記燃料電池スタックと前記給水槽を暖めるために前記ヒータに電力供給する制御装置と
を備えるエネルギー管理システム。
【請求項２】
前記ヒータが抵抗式ヒータである、請求項１に記載のエネルギー管理システム。
【請求項３】
前記水素供給槽についての水素圧力信号を発生し、かつ前記制御装置に接続されている圧力センサ
をさらに備える、請求項１に記載のエネルギー管理システム。
【請求項４】
前記制御装置に接続され、かつスタック温度信号を発生するスタック温度センサ
をさらに備える、請求項３に記載のエネルギー管理システム。
【請求項５】
前記制御装置が、もし前記水素圧力信号が最初の圧力値を超える場合、前記スタック温度に基づいて加熱が必要であるかどうかを決定する、請求項４に記載のエネルギー管理システム。
【請求項６】
前記制御装置が、もし加熱が必要である場合、前記スタック温度信号が最初のスタック温度値を超えるまで、前記送風機を始動し、かつ前記水素供給弁を開く、請求項５に記載のエネルギー管理システム。
【請求項７】
周囲温度信号を発生する周囲温度センサと、
水温信号を発生する水槽センサと
をさらに備える、請求項４に記載のエネルギー管理システム。
【請求項８】
前記制御装置が、前記圧力信号が最初の圧力値を超えない場合、前記スタック温度信号、前記周囲温度信号、および前記水温信号を使用して、加熱が必要であるかどうか決定するためにルックアップ表にアクセスする、請求項７に記載のエネルギー管理システム。
【請求項９】
貯槽レベル信号を発生する水素貯槽レベルセンサ
をさらに備える、請求項８に記載のエネルギー管理システム。
【請求項１０】
前記制御装置が、もし加熱が必要であり、かつもし前記貯槽レベル信号が最初の貯槽レベル値を超える場合、前記送風機を始動し、かつ前記水素供給弁を開く、請求項９に記載のエネルギー管理システム。
【請求項１１】
前記制御装置が、前記スタック温度信号が最初のスタック温度値を超えるまで、加熱を継続する、請求項１０に記載のエネルギー管理システム。
【請求項１２】
前記制御装置が、もし前記貯槽レベル信号が最初の貯槽レベル値を超えない場合、パージを起動させ、前記給水槽から水を排出し、かつ車両の始動を禁止する、請求項９に記載のエネルギー管理システム。
【請求項１３】
車両が走行していない間、前記車両の燃料電池の温度を制御するエネルギー管理方法であって、
燃料電池スタック、送風機、給水槽、水素貯蔵装置、水素供給弁、前記燃料電池スタックの出力側に接続されているヒータ、および制御装置を提供するステップと、
前記制御装置を、前記水素供給弁、前記スイッチ、および前記送風機、ならびに前記ヒータに接続するステップと、
前記車両が走行していない間、前記水素供給弁、前記スイッチ、および前記送風機を制御して、前記燃料電池スタックおよび前記給水槽を暖める熱を発生させるステップと
を含む方法。
【請求項１４】
前記ヒータが抵抗式ヒータである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記制御装置に接続されている圧力センサを使用して、前記水素供給槽の水素圧力信号を発生するステップ
をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記制御装置にスタック温度センサを接続するステップと、
前記スタック温度センサを使用して、スタック温度信号を発生するステップと
をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記圧力信号が最初の圧力値を超えるかどうか決定するステップと、
もし前記圧力信号が最初の圧力値を超える場合、前記スタック温度に基づいて加熱が必要であるかどうかを決定するステップと
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
もし加熱が必要である場合、前記スタック温度信号が最初のスタック温度値に到達するまで、前記送風機を始動し、かつ前記水素供給弁を開くステップ
をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
周囲温度センサおよび水温センサを前記制御装置に接続するステップと、
前記周囲温度センサを使用して周囲温度信号を発生するステップと、
前記水温センサを使用して水温信号を発生するステップと
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記圧力信号が最初の圧力値を超えない場合、前記スタック温度信号、前記周囲温度信号、および前記水温信号を使用して、加熱が必要であるかどうか決定するためにルックアップ表にアクセスするステップ
をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
貯槽レベルセンサを前記制御装置に接続するステップと、
水素貯槽レベルセンサを使用して貯槽レベル信号を発生するステップと
をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
もし、前記スタック温度が最初のスタック温度値に到達するまで、加熱が必要である場合、かつもし前記貯槽レベル信号が最初の貯槽レベル値を超える場合、前記送風機を始動し、かつ前記水素供給弁を開くステップ
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
もし前記貯槽レベル信号が最初の貯槽レベル値を超えない場合、パージを起動させ、前記貯水装置から水を排出し、かつ車両の始動を禁止するステップ
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、またより詳細には寒冷環境向けの燃料電池のエネルギー管理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、広くさまざまな用途における電力源としてますます使用されている。燃料電池システムはまた、内燃機関（ＩＣＥ）を置き換えるものとして車両における使用も提案されている。固体高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池は、アノードとカソードの間にはさまれている膜を含む。電気化学反応により電気を発生させるため、アノードに水素（Ｈ2）が供給され、またカソードに酸素（Ｏ2）が供給される。
【０００３】
第１の半電池反応において、アノードでは水素Ｈ2の解離により、水素プロトンＨ+および電子ｅ-を発生させる。膜はプロトン伝導性であり、かつ誘電体である。結果として、プロトンは膜を通って輸送されるが、電子は、膜の両端に接続されている電気的負荷を通って流れる。第２の半電池反応において、カソードでは酸素Ｏ2がプロトンＨ+と反応し、電子ｅ-を吸収して、水Ｈ2Ｏを生成させる。
【０００４】
寒冷な天候におけるＩＣＥの作動が、ＩＣＥの発展の間、強い関心を持たれてきている。燃料電池が商業的な普及を目指して利用可能になっているので、燃料電池の寒冷な天候における性能特性がより重要となってきている。燃料電池が確実に受け入れられるようにするため、車両製造業者は、顧客の要求条件および期待に取り組まなければならない。いくつかのこれらの要求条件には、手ごろな購入価格および作動コスト、信頼できるかつ安全な作動、加速性および制動性などの交通適合性能、走行距離、有効搭載量、ならびに周囲温度許容範囲が含まれる。
【０００５】
車両向けの周囲温度許容範囲仕様は、−４０℃と５２℃の間の温度を典型的に含む。ＩＣＥ向けの例示的な寒冷天候仕様では、前部および後部ウインドデフロスタを操作しながらクランキング時間３０秒以内にエンジンが始動しなければならないことを典型的に要する。これらの仕様ではまた、−４０℃などの低い周囲温度で安定に作動し、引続きこの低い周囲温度に８時間浸かっていることをも必要としている。始動直後、車両は、スロットル全開を含む異なった加速の速度で運転走行が可能とすべきである。燃料電池車はおそらく、消費者の期待に合致する同様な寒冷天候仕様に適合する必要があるであろう。
【０００６】
消費者は、自動車が氷点下の天候で作動可能であることを期待している。燃料電池システム内の液体および蒸気の水が、燃料電池の寒冷な天候における作動について主に懸念される所である。冷却システムは、脱イオン水を典型的に使用している。燃料電池スタック加湿システム、および作動中のカソードにおける水の生成により、燃料電池スタックのほとんど全ての部分に、液体または蒸気の状態で水が、休止時間の間、全体として確実に存在する。雰囲気および温度が一回０℃を下回ると、水が凍結し、流れが燃料電池スタックを通過するのを阻止する恐れがある。これらの閉塞によって、燃料電池スタックが膨張し、損傷を受け、かつ／または冷却および可湿システムが作動不能になる恐れがある。
【０００７】
作動中に、かつ／または始動過程の一部として、燃料電池システム内における凍結を防止する、多くの取組みがある。消極的な凍結防止策は、いくつかの異なる取組みを包含する。１つの取組みでは、水冷却媒体の使用を最小限とすることにより、凍結を最小限としている。電気伝導性のない低い凍結温度の伝熱液体で、水冷却媒体を置き換えることができる。いくつかの主な燃料電池供給業者は、この領域で研究している。純粋な水冷却媒体を制限する他の選択肢は、液対液熱交換器を使用して、別個のスタックおよび放熱器冷却媒体ループによって作動させることである。しかし、この取組みにより、費用、重量、および体積が増加する。
【０００８】
他の取組みは、燃料電池が作動していない間、凍結による損傷を防止するため燃料電池システムから水を除去することを包含する。燃料電池スタック内の液体の水の大部分は、重力で自己排水することによって、システム休止時除去することができる。システム休止の直前に燃料電池スタックを通して、乾燥した除湿空気を送ることによってスタック内の残留水分を除去することができる。これらのシステムでは、燃料電池を作動可能とする前に、水を添加しなければならない。
【０００９】
他の取組みでは、燃料電池スタックおよび水容器全体の周囲に断熱材を巻いて、作動および休止時間における熱損失を減速している。断熱材はしばしば、燃料電池スタック外被と一体化している。この取組みによりスタックの体積および重量が増加する。燃料電池スタック重量は車両性能、据付動力要件、およびコストに影響があるので、車両供給業者は、スタック重量が増加しない他の取組みを用いる動機を有する。燃料電池スタック重量を低下させると、熱容量が低下し、暖機運転時間が短縮されるだけでなく、クールダウン時間も短縮される。
【００１０】
さらに他の取組みは、始動過程の一部として燃料電池を作動させて、燃料電池スタックを加熱するのに使用される廃熱を生成させることを包含する。このシステムの利点は、何らシステムの変更を要しない比較的単純な設計を含む。このシステムの欠点は、燃料電池スタックの電力が比較的小さいので、氷点下の温度では長い暖機運転時間を要する点を含む。このシステムではまた、アノードおよびカソードの流路内の氷が直接融解されない。このシステムではまた、車両内の燃料電池が作動していない場合、凍結により生じる恐れのある損傷にも対処していない。
【００１１】
他のシステムは、作動中に、かつ／または始動過程の一部として、圧縮機からの熱風を使用して、アノードおよびカソード流路内の氷を融解し、かつＭＥＡを暖める。熱風は、典型的に９０℃を超えており、比較的急速に入手可能である。熱風は、カソードの全ての部分を暖める。欠点は、空気から得られる加熱力があまり大きくない事実を含む（しかし、膜電極集合体の熱容量は非常に小さい）。
【００１２】
他のシステムは、水素／空気バーナを使用してスタック冷却媒体を暖め、それが次に燃料電池スタックを暖める。この加熱システムの利点は、大量の高品質の熱発生を含む。廃熱を利用して、乗客区画を暖めることができる。欠点は、燃料経済性の低下、および燃料電池システムの重量、体積、およびコストを増加させる水素／空気バーナが必要である点を含む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
前述のシステムの大部分は、始動時または作動中に燃料電池スタックを暖めることに関するものであるが、燃料電池スタックが低い周囲温度で休止またはオフ状態のままである場合に生じる恐れのある損傷を防止するものではない。休止状態に対処するシステムはしばしば、外部差し込み式抵抗ヒータを含む。−２０℃を下回る温度について差し込み式ヒータを消費者が受け入れていても、−２０℃から０℃についての差し込み式ヒータの要求条件はおそらく商業的には受け入れられない。他の解決策は、加熱された車庫を含み、これもおそらく商業的には受け入れられない。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のエネルギー管理システムは、車両が走行していない間、車両の燃料電池の温度を制御する。本エネルギー管理システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックに空気を供給する送風機と、給水槽と、水素供給槽とを含む。水素供給槽と、燃料電池スタックとの間に水素供給弁が接続している。燃料電池スタックの出力側にヒータが接続している。車両が走行していない間、制御装置が水素供給弁と送風機とを制御して、燃料電池スタックと給水槽を暖めるためにヒータに電力供給する。
【００１５】
本発明の他の特徴として、ヒータは抵抗式ヒータである。圧力センサは、水素供給槽についての水素圧力信号を発生し、また圧力センサは制御装置に接続している。スタック温度センサは制御装置に接続しており、スタック温度信号を発生する。水素圧力信号が最初の圧力値を超える場合、制御装置はスタック温度に基づいて加熱が必要であるかどうかを決定する。加熱が必要である場合、制御装置は、スタック温度信号が最初のスタック温度値を超えるまで、送風機を始動し、水素供給弁を開く。
【００１６】
本発明のさらに他の特徴として、周囲温度センサは、周囲温度信号を発生する。水槽センサは、水温信号を発生する。圧力信号が最初の圧力値を超えない場合、制御装置はスタック温度信号、周囲温度信号、および水温信号を使用して、加熱が必要であるかどうか決定するためにルックアップ表にアクセスする。
【００１７】
他の特徴として、水素貯槽レベルセンサは、貯槽レベル信号を発生する。加熱が必要であり、かつ貯槽レベル信号が最初の貯槽レベル値を超える場合、制御装置は、送風機を始動し、水素供給弁を開く。スタック温度信号が最初のスタック温度値を超えるまで、制御装置は加熱を継続する。貯槽レベル信号が最初の貯槽レベル値を超えない場合、制御装置はパージを起動させ、給水槽から水を排出し、かつ車両を始動することを禁止する。
【００１８】
本発明のさらなる適用可能性の領域は、本明細書において以後提供している詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明および特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、例示の目的だけのためであり、本発明の範囲を限定するためではない点を理解されたい。
【００１９】
本発明は、詳細な説明および添付図面からより全面的に理解されるようになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
１つまたは複数の好ましい実施形態についての下記の記述は、性格として単に例示的であり、本発明、その用途、または使用を決して限定しようとするものではない。
ここに図１を参照すると、膜電極集合体（ＭＥＡ）１２を含む、燃料電池集合体１０の断面を示している。ＭＥＡ１２は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）であることが好ましい。ＭＥＡ１２は、膜１４とカソード１６と、アノード１８とを含む。膜１４は、カソード１６の内側表面と、アノード１８の内側表面との間にはさまれている。カソード拡散媒質２０は、カソード１６の外側表面に隣接している。アノード拡散媒質２４は、アノード１８の外側表面に隣接している。燃料電池集合体１０はさらに、カソード流路２６と、アノード流路２８とを含む。カソード流路２６は、供給源から酸素Ｏ2を受け入れ、カソード拡散媒質２０へ導く。アノード流路２８は、供給源から水素Ｈ2を受け入れ、アノード拡散媒質２４へ導く。
【００２１】
燃料電池集合体１０において、膜１４は、移動性イオンとしてＨ+イオンを有する、カチオン透過性、プロトン伝導性膜である。燃料ガスは水素Ｈ2であり、酸化剤は酸素Ｏ2である。全体的な電池反応は、水への水素の酸化であり、アノード１８およびカソード１６における対応する反応は：
Ｈ2＝２Ｈ+＋２ｅ-
０．５Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-＝Ｈ2Ｏ
燃料ガスとして水素を使用しているので、全体的な電池反応の生成物は水である。典型的には、生成される水は、カソード１６で捨てられる。カソード１６は、酸素側に電極触媒層を含む多孔性電極である。水は、生成時集められ、任意の従来の方法で燃料電池集合体１０のＭＥＡ１２から運び出される。
【００２２】
電池反応により、アノード拡散媒質２４からカソード拡散媒質２０への方向にプロトン交換が起こる。このようにして、燃料電池集合体１０は電気を発生させる。電気的負荷３０は、ＭＥＡ１２の両端の板３２および板３４に電気的に接続している。板３２および３４が、他の燃料電池に隣接している場合、板３２および３４は双極極板である。他の燃料電池がそれらに隣接していない場合、板３２および／または３４は、端板である。
【００２３】
ここに図２を参照すると、本発明による燃料電池向けエネルギー管理システムを例示しており、全体的に１００と称している。燃料電池スタック１０２は、アノード流路１０４と、カソード流路１０６とを含む。温度センサ１０８は、燃料電池スタック１０２の内部温度を測定する。送風機モータ１１０により、カソード流路１０６に空気１１２を供給している。カソード流路１０６を出た空気は、排気１１６に送られる。バルク液体水素貯蔵タンク１２０により、弁１２２を通ってアノード流路１０４に水素を供給している。水素貯蔵タンク１２０は、−２５０℃を下回る温度の液体水素を貯蔵する。水素貯蔵タンク１２０は、複合材料製の断熱され、かつ強化されたタンクが好ましい。リストリクタ弁１２６および逆止め弁１２８は周期的に開いて、圧力を下げ、システムに「げっぷ（ｂｕｒｐ）」をさせる。閉止弁１２９を、アノード流れ管路１０４の出口端に場合によって取り付けることができる。
【００２４】
燃料電池スタック１０２は、アノード端子１３０と、カソード端子１３２とを含む。それぞれアノード流路１０４およびカソード流路１０６に、水素および空気を供給すると、燃料電池スタック１０２は、アノード端子からカソード端子１３２まで電圧を発生させる。通常の作動の間、燃料電池スタック１０２は、１つまたは複数の蓄電池、電動機、または他の負荷（図２に示されない）に電力を供給する。
【００２５】
第１の抵抗式ヒータ１３６の一方の端をカソード端子１３２に接続している。第１の抵抗式ヒータ１３６は、燃料電池スタック１０２に接近した位置にするのが好ましい。第１の抵抗式ヒータ１３６の反対側の端を、ソレノイドスイッチ１４０に接続している。第２のソレノイドスイッチ１４２を、ヒューズ１４６と、アノード端子１３０との間に接続する。第２の抵抗式ヒータ１４８を、水を貯蔵する水槽１５０に接近した位置としている。好ましい状態では、第２の抵抗式ヒータ１４８と、水槽１５０は、容器１５２の内部に位置している。温度センサ１５４は、水槽１５０内の水温を検知する。ソレノイド弁１５６は、水槽１５０からの水の流れを制御する。
【００２６】
燃料電池の温度およびエネルギーを管理する燃料電池制御装置１６０は、マイクロプロセッサ、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ、および／またはフラッシュメモリなど）、および入力／出力Ｉ／Ｏインターフェース（全て図示されない）を含む。燃料電池制御装置１６０は、周囲温度信号を発する周囲温度センサ１６４に接続している。燃料電池制御装置１６０に関連している、較正ルックアップ表（ＬＵＴ）１６２は、内部スタック温度と、周囲温度と、水槽温度と、車両が駐車し走行していない場合に加熱する必要性との間の関係を定義する。燃料電池制御装置１６０は、車両制御装置１７０に接続している。車両制御装置１７０は、車両が駐車しているかどうか、および／または車両が走行しているかどうかを識別する信号をもたらす。圧力センサ１７４は、水素貯蔵タンク１２０内に貯蔵されている水素についての圧力信号をもたらす。貯槽レベルセンサ１７６は、水素貯蔵タンク１２０内の水素のレベルを示す貯槽レベル信号をもたらす。
【００２７】
ここに図３を参照すると、燃料電池制御装置１６０を操作するステップを示しており、全体的に２００と称している。ステップ２０２で制御を開始する。ステップ２０４では、燃料電池制御装置１６０は、車両が走行しているかどうかを決定する。車両が走行している場合、制御ループはステップ２０４に戻る。安全上の理由で、車両が走行しており、または駐車していない場合、温度およびエネルギー管理は行われない。車両が走行していない場合、ステップ２０８により制御が継続され、そこでは燃料電池制御装置１６０は、車両が駐車しているかどうかを決定する。駐車していない場合、制御ループはステップ２０４に戻る。燃料電池制御装置１６０は、車両制御装置１７０から、走行および駐車のステータス情報を得ることが好ましい。
【００２８】
車両が駐車しており、走行していない場合、ステップ２１０により制御が継続される。ステップ２１０で、燃料電池制御装置１６０は水素貯蔵タンク１２０内の圧力を測定する。ステップ２１２で、燃料電池制御装置１６０は、圧力Ｐが最大圧力Ｐmaxを超えているかどうかを決定する。測定された圧力Ｐが最大圧力Ｐmaxを超えている場合、ステップ２１８により制御が継続される。ステップ２１８で、燃料電池制御装置１６０は、スタック温度センサ１０８を使用して、スタック温度を測定する。ステップ２２０で、燃料電池制御装置１６０は、燃料電池スタック１０２および水供給部１５０を加熱することが必要であるかどうかを決定する。付加的な加熱が必要である場合、ステップ２２２により制御が継続される。ステップ２２２で、燃料電池制御装置１６０は、送風機モータ１１０を始動し、かつ水素供給弁１２２を使用して、水素が流れる状態にする。もはや加熱が必要でなくなるまで、ステップ２１８および２２０により制御が継続される。次いで、ステップ２２４により制御が継続され、そこでは燃料電池制御装置１６０は、送風機モータ１１０を停止し、かつ水素供給弁１２２を使用して、水素が流れない状態にする。ステップ２２６で、燃料電池制御装置１６０は、Ｐ＞Ｐmaxかどうかを決定する。Ｐ＞Ｐmaxであれば、ステップ２２８で燃料電池制御装置１６０は水素パージ（除去）を起動させ、また、ステップ２０４により制御が継続される。ＰがＰmaxを超えていなければ、ステップ２２６からステップ２０４まで制御が継続される。
【００２９】
ステップ２１２で測定したとき、測定された圧力Ｐが最大圧力Ｐmaxを超えない場合、ステップ２３０により制御が継続され、そこで、燃料電池制御装置１６０は、スタック温度、周囲温度、および水温を測定する。ステップ２３４で、燃料電池制御装置１６０は、測定している温度を使用して、ＬＵＴ１６２、または較正表にアクセスする。ステップ２３８で、燃料電池制御装置１６０は、ＬＵＴ１６２を使用して、加熱が必要であるかどうかを決定する。加熱が必要ではない場合、燃料電池制御装置１６０は、ステップ２０４までループを戻す。そうではない場合、燃料電池制御装置１６０はステップ２４４により継続され、そこで燃料電池制御装置１６０は、レベルセンサ１７６を使用して、水素貯蔵タンク１２０のレベルを測定する。
【００３０】
ステップ２４６で、燃料電池制御装置１６０は、水素が十分に入手できるかどうかを決定する。十分な水素があれば、ステップ２１８により燃料電池制御装置１６０は継続される。十分な水素が入手できなければ、ステップ２５０により燃料電池制御装置１６０は継続され、パージを起動させる。ステップ２５２で、弁１５６を使用して水槽から水が排出される。ステップ２５４で、エンジンの始動を禁止して、燃料電池スタックへの損傷を防止する。ステップ２５４は、燃料電池制御装置１６０から車両制御装置１７０に禁止または不能信号を送ることにより達成するのが好ましい。
【００３１】
燃料電池を運転して、熱を発生させる前に、燃料電池制御装置１６０は車両が走行しておらず、駐車していることを確認する。これらのステップによって、燃料電池システムの危険な作動を防止する。次に、燃料電池制御装置１６０は、水素の圧力ＰがＰmaxを超えているかどうかを測定する。Ｐ＞Ｐmaxならば、燃料電池制御装置１６０は、空気および水素の流れを開始させることにより燃料電池スタック１０２を作動させる。燃料電池制御装置１６０は、所望の加熱が行われるまで燃料電池スタック１０２を作動させる。その後、燃料電池制御装置１６０は、送風機を停止させ、水素が流れない状態にする。
【００３２】
水素の圧力ＰがＰmax未満である場合、燃料電池制御装置１６０は、内部スタック温度、周辺温度、および水槽温度を測定し、加熱が必要であるかどうかを決定する。加熱が必要である場合、燃料電池制御装置１６０は、水素が十分に入手できるかどうかを決定する。十分な水素が入手できなければ、燃料電池制御装置１６０は、システムをパージし、水槽から水を排出し、かつ、エンジンの始動を禁止して、凍結による損傷を防止する。
【００３３】
上記のことから理解されるように、本発明によるエネルギー管理システムによって、寒冷環境による燃料電池スタックおよび他のシステム構成部分への損傷が防止される。さらに、車両が駐車しており、走行していない場合燃料電池スタックの温度を管理することによって、典型的な作動温度まで燃料電池システムを加熱するのに要する時間量を低減している。その上、本発明によるエネルギー管理システムは、重量または体積を増加させることなく、低い周囲温度で水が凍結する問題を解決している。
【００３４】
本発明の広い教示がさまざまな形で実施できることは、上記の記述から、本分野の技術者にはここで理解され得よう。したがって、本発明は特定の例に関連して記述されているが、それらについて、本発明の真の範囲はそのように限定されるべきではない。何故なら、図面、明細書、および上記特許請求範囲を検討すれば、熟練した実践者には他の修正が明らかになるからである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】燃料電池の例示的な膜電極集合体（ＭＥＡ）を示す図である。
【図２】本発明による寒冷環境向けの燃料電池エネルギー管理システムを示す図である。
【図３】図２の燃料電池エネルギー管理システムを作動させるステップを示す図である。
【図１】
2005518641.tif 000003
【図２】
2005518641.tif 000004
【図３】
2005518641.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成16年5月10日(2004.5.10)
【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】
車両が走行していない間のように、燃料電池システムが負荷を満たしていない時に、前記燃料電池システムの温度を制御するエネルギー管理システムであって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに空気を供給する送風機と、
給水槽と、
水素供給槽と、
前記水素供給槽と、前記燃料電池スタックとの間に接続されている水素供給弁と、
前記燃料電池スタックの出力側に接続され、前記燃料電池スタックと前記給水槽とを暖めるヒータと、
前記燃料電池システムが前記負荷を満たしていない間、前記水素供給弁と前記送風機とを制御して、前記燃料電池スタックと前記給水槽を暖めるために前記ヒータに電力供給する制御装置と
を備えるエネルギー管理システム。
【請求項２】
前記ヒータが抵抗式ヒータである、請求項１に記載のエネルギー管理システム。
【請求項３】
前記水素供給槽についての水素圧力信号を発生し、かつ前記制御装置に接続されている圧力センサ
をさらに備える、請求項１に記載のエネルギー管理システム。
【請求項４】
前記制御装置に接続され、かつスタック温度信号を発生するスタック温度センサ
をさらに備える、請求項３に記載のエネルギー管理システム。
【請求項５】
前記制御装置が、もし前記水素圧力信号が最初の圧力値を超える場合、前記スタック温度に基づいて加熱が必要であるかどうかを決定する、請求項４に記載のエネルギー管理システム。
【請求項６】
前記制御装置が、もし加熱が必要である場合、前記スタック温度信号が最初のスタック温度値を超えるまで、前記送風機を始動し、かつ前記水素供給弁を開く、請求項５に記載のエネルギー管理システム。
【請求項７】
周囲温度信号を発生する周囲温度センサと、
水温信号を発生する水槽センサと
をさらに備える、請求項４に記載のエネルギー管理システム。
【請求項８】
前記制御装置が、前記圧力信号が最初の圧力値を超えない場合、前記スタック温度信号、前記周囲温度信号、および前記水温信号を使用して、加熱が必要であるかどうか決定するためにルックアップ表にアクセスする、請求項７に記載のエネルギー管理システム。
【請求項９】
貯槽レベル信号を発生する水素貯槽レベルセンサ
をさらに備える、請求項８に記載のエネルギー管理システム。
【請求項１０】
前記制御装置が、もし加熱が必要であり、かつもし前記貯槽レベル信号が最初の貯槽レベル値を超える場合、前記送風機を始動し、かつ前記水素供給弁を開く、請求項９に記載のエネルギー管理システム。
【請求項１１】
前記制御装置が、前記スタック温度信号が最初のスタック温度値を超えるまで、加熱を継続する、請求項１０に記載のエネルギー管理システム。
【請求項１２】
前記制御装置が、もし前記貯槽レベル信号が最初の貯槽レベル値を超えない場合、パージを起動させ、前記給水槽から水を排出し、かつ前記負荷の始動を禁止する、請求項９に記載のエネルギー管理システム。
【請求項１３】
車両が走行していない間のように負荷を燃料電池システムが満たしていない時に、前記燃料電池システムの温度を制御するエネルギー管理方法であって、
燃料電池スタック、送風機、給水槽、水素貯蔵装置、水素供給弁、前記燃料電池スタックの出力側に接続されているヒータ、および制御装置を提供するステップと、
前記制御装置を、前記水素供給弁、および前記送風機、ならびに前記ヒータに接続するステップと、
前記燃料電池システムが前記負荷を満みたしていない間、前記水素供給弁および前記送風機を制御して、前記燃料電池スタックおよび前記給水槽を暖める熱を発生させるステップと
を含む方法。
【請求項１４】
前記ヒータが抵抗式ヒータである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記制御装置に接続されている圧力センサを使用して、前記水素供給槽の水素圧力信号を発生するステップ
をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記制御装置にスタック温度センサを接続するステップと、
前記スタック温度センサを使用して、スタック温度信号を発生するステップと
をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記圧力信号が最初の圧力値を超えるかどうか決定するステップと、
もし前記圧力信号が最初の圧力値を超える場合、前記スタック温度に基づいて加熱が必要であるかどうかを決定するステップと
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
もし加熱が必要である場合、前記スタック温度信号が最初のスタック温度値に到達するまで、前記送風機を始動し、かつ前記水素供給弁を開くステップ
をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
周囲温度センサおよび水温センサを前記制御装置に接続するステップと、
前記周囲温度センサを使用して周囲温度信号を発生するステップと、
前記水温センサを使用して水温信号を発生するステップと
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記圧力信号が最初の圧力値を超えない場合、前記スタック温度信号、前記周囲温度信号、および前記水温信号を使用して、加熱が必要であるかどうか決定するためにルックアップ表にアクセスするステップ
をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
貯槽レベルセンサを前記制御装置に接続するステップと、
水素貯槽レベルセンサを使用して貯槽レベル信号を発生するステップと
をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
もし、前記スタック温度が最初のスタック温度値に到達するまで、加熱が必要である場合、かつもし前記貯槽レベル信号が最初の貯槽レベル値を超える場合、前記送風機を始動し、かつ前記水素供給弁を開くステップ
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
もし前記貯槽レベル信号が最初の貯槽レベル値を超えない場合、パージを起動させ、前記貯水装置から水を排出し、かつ前記負荷の始動を禁止するステップ
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【国際調査報告】
2005518641.tif 000006