(57)【要約】  バッテリを有する燃料電池はバッテリ充電電流エラー、バッテリ電圧エラー、およびスタック電流エラーのうちの大きい値に応答して、直列通過素子を通る電流を調整する第一ステージを利用する。燃料電池システムは直列通過素子の両端間の電圧偏差に基づいて、またはバッテリ状態に基づいて、燃料電池スタックへの反応物質の流れの分圧を制御する第二ステージを利用する。燃料電池システムはいずれかのステージ、または双方のステージを使用してよい。個々の燃料電池を直列および／または並列に結合して、所望の出力電圧および電流を有する複合燃料電池システムを製造できる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
幾つかの燃料電池を有する燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの両端間に電気的に並列に結合可能である幾つかのバッテリセルを有するバッテリと、
前記燃料電池スタックの少なくとも一部と前記バッテリの一部との間に電気的に結合された直列通過素子と、
前記燃料電池の少なくとも幾つかへの反応物質の流れの分圧を制御するように調整可能な少なくとも第一制御素子を含む、反応物質を燃料電池に給送するための反応物質給送システムと、
判定された前記バッテリの動作状態、および前記直列通過素子の両端間の電圧の判定された偏差の少なくとも一方に基づいて前記少なくとも前記第一制御素子を制御するように結合された制御回路と、を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
調整回路が、
バッテリ充電電流信号を受信するように結合された第一入力と、バッテリ充電電流制限信号を受信するように結合された第二入力とを有するバッテリ充電電流エラー積分器と、
バッテリ電圧信号を受信するように結合された第一入力と、バッテリ電圧制限信号を受信するように結合された第二入力とを有するバッテリ電圧エラー積分器と、
スタック電流信号を受信するように結合された第一入力と、スタック電流制限信号を受信するように結合された第二入力とを有するスタック電流エラー積分器と、を備えた請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記調整回路が、
チャージポンプと、
該チャージポンプと前記直列通過素子との間に結合されたレベルシフタと、
を備えた請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記調整回路が、
入力側と出力側とを有し、前記入力側は前記バッテリ充電電流エラー積分器、慙愧バッテリ電圧エラー積分器、および前記スタック電流エラー積分器に結合されたＯＲ回路を備えた請求項１、２、または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記直列通過素子が電界効果トランジスタを備え、さらに、
前記燃料電池スタックと前記直列通過素子との間に電気的に結合された阻止ダイオードを備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記バッテリの少なくとも一部が前記燃料電池スタックの少なくとも一部と電気的に並列に結合された請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記調整回路が、
バッテリ電流とバッテリ電流制限値との差を積分するステップと、
バッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との差を積分するステップと、
スタック電流とスタック電流制限値との差を積分するステップと、
積分された差のうちの大きい値を選択するステップと、
積分された差のうちの大きい値に比例して制御信号を前記値に印加するステップと、によって前記直列通過素子を通る電流を調整するようにプログラムされたマイクロプロセッサを備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記調整回路が、
バッテリ充電電流に比例するバッテリ充電電流信号を供給するバッテリ充電電流センサと、
バッテリ電圧に比例するバッテリ電圧信号を供給するバッテリ電圧センサと、
スタック電流に比例するスタック電流信号を供給するスタック電流センサと、を備えた請求項２、３、または４に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記調整回路は幾つかの離散型積分器またはマイクロプロセッサのいずれかを備えた請求項１に記載の回路。
【請求項１０】
前記制御回路が、前記直列通過素子の両端間の電圧を判定する電圧センサと、前記直列通過素子の両端間の前記判定された電圧と所望の電圧とを比較するために結合された比較器とを備えた請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記所望の電圧は前記直列通過素子用の飽和レベルの約７５％から９５％の間に相当する請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御回路は、前記バッテリの所定の動作状態の少なくとも１つだけに基づいて少なくとも前記第一制御素子を制御するように結合された、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記制御回路は、前記直列通過素子の両端間の判定された偏差だけに基づいて少なくとも前記第一制御素子を制御するように結合された、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
燃料電池スタックと、バッテリと、直列通過素子とを有する燃料電池システム用の回路であって、
バッテリ充電電流とバッテリ充電電流制限値との差、バッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との差、およびスタック電流とスタック電流制限値との差のうちの大きい値を判定する手段と、
判定された大きい差に比例して阻止ダイオードを通るスタック電流の流れを調整する直列通過調整手段と、
判定された前記バッテリの動作状態と、前記直列通過素子の両端間の判定された電圧偏差も少なくとも一方に比例して、少なくとも１つの反応物質の流れの分圧を制御する手段と、を備えた回路。
【請求項１５】
バッテリ充電電流とバッテリ充電電流制限値との差を判定するための積分手段と、
バッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との差を判定するための積分手段と、
スタック電流とスタック電流制限値との差を判定するための積分手段と、を備えた請求項１４に記載の回路。
【請求項１６】
前記直列通過素子の両端間の電圧の偏差を判定する手段をさらに備えた請求項１４または１５に記載の回路。
【請求項１７】
燃料電池システムの動作方法であって、
燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに電気的に並列に結合されたバッテリの少なくとも一方から幾つかの出力端子で電流を供給するステップと、
第一ステージで、バッテリ充電電流とバッテリ充電電流制限値との差、バッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との差、およびスタック電流とスタック電流制限値との差のうちの少なくとも大きい値に比例して直列通過素子を通る電流を調整するステップと、
第二ステージで、前記バッテリの動作状態と直列通過素子の所望の飽和レベルの少なくとも一方を維持するために、前記燃料電池スタックの少なくとも一部への反応物質の流れの分圧を調整するステップと、を含む方法。
【請求項１８】
前記第一ステージと前記第二ステージとは同時に行われる請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記直列通過素子の入力側で第一電位を判定するステップと、
前記直列通過素子の出力側で第二電位を判定するステップと、
前記第一および第二電位から前記直列通過素子の両端間の電圧を判定するステップと、
前記直列通過素子の両端間の電圧の、前記所望の飽和レベルに対応する値からの偏差の数量を判定するステップと、を含むとともに、前記バッテリの動作状態と直列通過素子の所望の飽和レベルの少なくとも一方を維持するために前記燃料電池スタックの少なくとも一部への反応物質の流れの分圧を調整するステップは、前記判定された偏差の数量に基づいて反応物質の流れの分圧を調整するステップを含む請求項１７または１８に記載の方法。
【請求項２０】
時間を経たバッテリ充電電流とバッテリ充電電流制限値との差を積分することによって、バッテリ充電電流とバッテリ充電電流制限値との差を判定するステップと、
時間を経たバッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との差を積分することによって、バッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との差を判定するステップと、
時間を経たスタック電流とスタック電流制限値との差を積分することによって、タック電流とスタック電流制限値との差を判定するステップと、をさらに含む請求項１７、１８、または１９に記載の方法。
【請求項２１】
バッテリ充電電流とバッテリ充電電流制限値との差、バッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との差、およびスタック電流とスタック電流制限値との差のうちの大きい値を選択するステップと、
前記選択された差の１つをレベルシフトするステップと、
前記レベルシフトされた選択された差の１つを前記直列通過素子の制御端子に印加するステップと、をさらに含む請求項１７，１８、１９、または２０に記載の方法。
【請求項２２】
バッテリの近隣温度を判定するステップと、
該判定された温度に少なくとも部分的に基づいてバッテリ電圧制限値を判定するステップと、
バッテリ電圧と判定されたバッテリ電圧制限値との時間を経た差を積分してバッテリ電圧エラーを判定するステップと、をさらに含む請求項１７，１８、または１９に記載の方法。
【請求項２３】
最初にバッテリ充電電流とバッテリ充電電流制限値との判定された差に応答し、二番目にバッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との判定された差に応答し、三番目にスタック電流とスタック電流制限値との判定された差に応答して、チャージポンプからの電荷を前記直列通過素子の制御端子に選択的に結合するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
前記所望の飽和レベルは完全飽和の約７５％から９５％の間にある請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
前記バッテリの前記所望の動作状態は期間を経たバッテリへの、またはそこからの電流の流れ、バッテリの両端間の電圧、およびバッテリ充電量の少なくとも１つである請求項１７に記載の方法。
【請求項２６】
前記燃料電池スタックの少なくとも一部への反応物質の流れの分圧を調整するステップは、前記燃料電池スタックの少なくとも一部への燃料の流れの分圧を調整することと、前記燃料電池スタックの少なくとも幾つかの部分へのオキシダントの流れの分圧を調整するステップを含む請求項１７または１９に記載の方法。
【請求項２７】
前記反応物質の流れの分圧を調整しつつ、少なくとも１つの反応物質の流れの圧力を保持するステップをさらに含む請求項１７、１９、または２６に記載の方法。
【請求項２８】
燃料電池システムであって、
幾つかの燃料電池を有する燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの両端間に電気的に並列に結合可能である幾つかのバッテリ．セルを有するバッテリと、
前記燃料電池スタックの少なくとも一部と前記バッテリの一部との間に電気的に結合された直列通過素子と、
バッテリ充電電流エラー、バッテリ電圧エラー、およびスタック電流エラーのうちの大きい値に応答して、前記直列通過素子を通る電流を調整するための調整回路と、を備えた燃料電池システム。
【請求項２９】
前記調整回路が、
バッテリ充電電流信号を受信するように結合された第一入力と、バッテリ充電電流制限信号を受信するように結合された第二入力とを有するバッテリ充電電流エラー積分器と、
バッテリ電圧信号を受信するように結合された第一入力と、バッテリ電圧制限信号を受信するように結合された第二入力とを有するバッテリ電圧エラー積分器と、
スタック電流信号を受信するように結合された第一入力と、スタック電流制限信号を受信するように結合された第二入力とを有するスタック電流エラー積分器と、を備えた請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３０】
前記調整回路が、
チャージポンプと、
該チャージポンプと前記直列通過素子との間に結合されたレベルシフタと、
ＯＲ回路と、を備えた請求項２８または２９に記載の燃料電池システム。
【請求項３１】
燃料電池システム用の回路であって、
バッテリ充電電流とバッテリ充電電流制限値との差、バッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との差、およびスタック電流とスタック電流制限値との差のうちの大きい値を判定する手段と、
判定された大きい差に比例して阻止ダイオードを通るスタック電流の流れを調整する直列通過調整手段と、を備えた回路。
【請求項３２】
燃料電池システムの動作方法であって、
燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに電気的に並列に結合されたバッテリの少なくとも一方から幾つかの出力端子で電流を供給するステップと、
バッテリ充電電流とバッテリ充電電流制限値との差、バッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との差、およびスタック電流とスタック電流制限値との差のうちの少なくとも大きい値に比例して直列通過素子を通る電流を調整するステップと、を含む方法。
【請求項３３】
バッテリ充電電流とバッテリ充電電流制限値との差、バッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との差、およびスタック電流とスタック電流制限値との差のうちの大きい値を選択するステップと、
前記選択された差の１つをレベルシフトするステップと、
前記レベルシフトされた選択された差の１つを前記直列通過素子の制御端子に印加するステップと、をさらに含む請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
燃料電池システムであって、
幾つかの燃料電池を有する燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの両端間に電気的に並列に結合可能である幾つかのバッテリ．セルを有するバッテリと、
前記燃料電池の少なくとも幾つかへの反応物質の流れの分圧を制御するように調整可能な少なくとも第一制御素子を含む、反応物質を燃料電池に給送するための反応物質給送システムと、
前記直列通過素子の入力側と出力側の電位に対応する信号を受信するように結合され、かつ前記受信された信号に基づいて前記直列通過素子の両端間の電圧の、所望の動作電圧からの偏差を判定するように構成されていて、該判定された偏差に基づいて少なくとも前記第一制御素子を制御するように結合された制御回路と、を備えた燃料電池システム。
【請求項３５】
前記制御回路が、前記直列通過素子の両端間の電圧を判定するための電圧センサと、反対された前記直列通過素子の両端間の電圧を所望の電圧と比較するように結合された比較器とを備えた請求項３４に記載の燃料電池システム。
【請求項３６】
前記制御回路が、判定された前記直列通過素子の両端間の電圧と、前記直列通過素子の飽和レベルの約７５％から９５％の間に相当する所望電圧とを比較する比較器を備えた請求項３４または３５に記載の燃料電池システム。
【請求項３７】
燃料電池システム用の回路であって、
前記直列通過調整手段の両端間の電圧と前記直列通過調整手段の所望の動作状態との差を判定するための手段と、
前記直列通過調整手段の両端間の電圧と前記直列通過調整手段の所望の動作状態との判定された差に比例して、少なくとも１つの反応物質の流れの分圧を制御する手段と、を備えた回路。
【請求項３８】
直列通過素子を有する燃料電池システムの動作方法であって、
燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに電気的に並列に結合されたバッテリの少なくとも一方から幾つかの出力端子で電流を供給するステップと、
直列通過素子を所望の飽和レベルに保つために前記燃料電池スタックの少なくとも一部への反応物質の分圧を調整するステップと、を含む方法。
【請求項３９】
前記直列通過素子の入力側で第一電位を判定するステップと、
前記直列通過素子の出力側で第二電位を判定するステップと、
前記第一および第二電位から前記直列通過素子の両端間の電圧を判定するステップと、
前記直列通過素子の両端間の電圧の、前記所望の飽和レベルに対応する値に対する偏差の数量を判定するステップと、を含むとともに、前記直列通過素子を所望の飽和レベルに維持するために前記燃料電池スタックの少なくとも一部への反応物質の流れの分圧を調整するステップは、前記判定された偏差の数量に基づいて反応物質の流れの分圧を調整するステップを含む請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記判定された電圧の偏差の数量を判定するステップは、前記判定された電圧と、前記直列通過素子の飽和レベルの比率に相当する値との差を判定することを含み、前記比率は約７５％から約９５％の間にある請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
負荷に電力を供給するための燃料電池システムであって、
幾つかの燃料電池を有する燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの両端間に電気的に並列に結合可能である幾つかのバッテリ．セルを有するバッテリと、
前記燃料電池の少なくとも幾つかへの反応物質の流れの分圧を制御するように調整可能な少なくとも第一制御素子を含む、反応物質を燃料電池に給送するための反応物質給送システムと、
前記バッテリの動作状態に対応する信号を受信するように結合され、かつ前記受信された信号に基づいて前記バッテリの動作状態の、前記バッテリの所望の動作状態からの偏差を判定するように構成されていて、該判定された偏差に基づいて少なくとも前記第一制御素子を制御するように結合された制御回路と、を備えた燃料電池システム。
【請求項４２】
前記バッテリへの、またそこからの電流の流れを測定し、かつ該測定された電流の流れを前記バッテリの動作状態に対応する信号として前記制御回路に供給するように結合された電流センサをさらに備えた請求項４１に記載の燃料電池システム。
【請求項４３】
前記バッテリの両端間の電圧を測定し、かつ該測定された電圧を前記バッテリの動作状態に対応する信号として前記制御回路に供給するように結合された電圧センサをさらに備えた請求項４１に記載の燃料電池システム。
【請求項４４】
負荷に電力を供給するための燃料電池システムの動作方法であって、
燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに電気的に並列に結合されたバッテリの少なくとも一方から負荷に電流を供給するステップと、
前記バッテリの動作状態を判定するステップと、
判定された前記バッテリの動作状態の、前記バッテリの所望の動作状態からの偏差の数量を判定するステップと
前記燃料電池スタックの少なくとも一部への少なくとも１つの反応物質の流れについて、判定された偏差量に基づいて反応物質の流れの分圧を調整するステップと、を含む方法。
【請求項４５】
前記バッテリの動作状態を判定するステップは、期間を経た前記バッテリへの、またそこからの電流の流れを判定するステップを含む請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
判定された前記バッテリの動作状態の、前記バッテリの所望の動作状態からの偏差の数量を判定するステップは、規定された所望の公称充電量と、期間を経た前記バッテリへの、またそこからの電流の流れとの差を積分するステップを含む請求項４４または４５に記載の方法。
【請求項４７】
判定された前記バッテリの動作状態の、前記バッテリの所望の動作状態からの偏差の数量を判定するステップは、規定された所望の公称充電量と、期間を経た前記バッテリへの、またそこからの電流の流れとの差を積分するステップを含み、前記所望の公称充電量は前記バッテリのフル充電の約７５％から８５％の間にある請求項４４または４５に記載の方法。
【請求項４８】
前記バッテリの動作状態を判定するステップは前記バッテリの両端間の電圧を判定するステップを含む請求項４４に記載の方法。
【請求項４９】
判定された前記バッテリの動作状態の、前記バッテリの所望の動作状態からの偏差の数量を判定するステップは、判定された前記バッテリ充電量と規定された所望の公称バッテリ充電量とを比較するステップを含む請求項４４または４５に記載の方法。
【請求項５０】
電力供給システムであって、
電力バスと、
第一燃料電池システムと、
第二燃料電池システムと、
前記第一燃料電池システムを前記電力バス内で電気的に直列に結合するように選択的に動作可能な第一スイッチと、
前記第二燃料電池システムを前記電力バス内で電気的に直列に結合するように選択的に動作可能な第二スイッチと、を備えた電力供給システム。
【請求項５１】
前記第一燃料電池システムは第一燃料電池スタックと、該第一燃料電池スタックに電気的に並列に結合された第一蓄電器とを備え、かつ前記第二燃料電池システムは第二燃料電池スタックを備え、第二蓄電器が前記第二燃料電池スタックに電気的に並列に結合された請求項５０に記載の電力供給装置。
【請求項５２】
前記第一燃料電池システムと前記第二燃料電池システムとは請求項１、１４、２８、または３９に記載の燃料電池システムである請求項５０に記載の電力供給システム。
【請求項５３】
前記第一スイッチは接触器およびトランジスタの一方である請求項５０または５２に記載の電力供給システム。
【請求項５４】
第三燃料電池システムと、
前記第三燃料電池システムを前記電力バス内で電気的に直列に結合するように選択的に動作可能な第三スイッチと、をさらに備えた請求項５０または５２に記載の電力供給システム。
【請求項５５】
第三燃料電池システムと、
前記第三燃料電池システムを前記電力バス内で前記第一燃料電池システムおよび前記第二燃料電池システムの少なくとも一方と電気的に並列に結合するように選択的に動作可能な第三スイッチと、をさらに備えた請求項５０または５２に記載の電力供給システム。
【請求項５６】
前記第一スイッチは前記第一燃料電池システムの状態に応じて選択的に動作可能であるとともに、
前記第一スイッチと電気的に直列に結合され、これと共に前記第一燃料電池システムを前記電力バスに電気的に直列に結合するように選択的に動作可能な第一冗長スイッチをさらに備え、該第一冗長スイッチは少なくとも前記第二燃料電池システムの動作状態に応じて選択的に動作可能である請求項５０または５２に記載の電力供給システム。
【請求項５７】
前記第一スイッチは前記第一燃料電池システムの状態に応じて選択的に動作可能であるとともに、
前記第一スイッチと電気的に直列に結合され、これと共に前記第一燃料電池システムを前記電力バスに電気的に直列に結合するように選択的に動作可能な第一冗長スイッチをさらに備え、該第一冗長スイッチは少なくとも前記第二燃料電池システムの電圧に応じて選択的に動作可能である請求項５０または５２に記載の電力供給システム。
【請求項５８】
前記第一スイッチは前記第一燃料電池システムの状態に応じて選択的に動作可能であるとともに、
前記第一スイッチと電気的に直列に結合され、これと共に前記第一燃料電池システムを前記電力バスに電気的に直列に結合するように選択的に動作可能な第一冗長スイッチをさらに備え、該第一冗長スイッチは前記電力バスの両端間の電圧に応じて選択的に動作可能である請求項５０または５２に記載の電力供給システム。
【請求項５９】
前記第一スイッチは前記第一燃料電池システムの状態に応じて選択的に動作可能であるとともに、
前記第一スイッチと電気的に直列に結合され、これと共に前記第一燃料電池システムを前記電力バスに電気的に直列に結合するように選択的に動作可能な第一冗長スイッチをさらに備え、該第一冗長スイッチは前記電力供給システムの所望の出力に応じて選択的に動作可能である請求項５０または５２に記載の電力供給システム。
【請求項６０】
前記第一スイッチは前記第一燃料電池システムの状態に応じて選択的に動作可能であるとともに、
前記第一スイッチと電気的に直列に結合され、これと共に前記第一燃料電池システムを前記電力バスに電気的に直列に結合するように選択的に動作可能な第一冗長スイッチをさらに備え、該第一冗長スイッチは前記電力供給システムの所望の公称電力出力、前記電力供給システムの所望の公称電圧出力、および前記電力供給システムの所望の公称電流の少なくとも１つに応じて選択的に動作可能である請求項５０または５２に記載の電力供給システム。
【請求項６１】
電力供給システムであって、
電力バスと、
各々が燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに電気的に並列に結合された蓄電器とを有する、電力バスに電気的に直列に結合可能な複数個の燃料電池システムと、
各々が前記燃料電池システムのそれぞれ１つの動作状態に応答する、電力バスから分断するように選択的に動作可能な複数個のスイッチと、
前記複数個の燃料電池システムのそれぞれ最初の１つの動作状態とは異なる動作状態に応答し、前記複数個の燃料電池システムのそれぞれ最初の１つを前記電力バスに電気的に結合するように選択的に動作可能な少なくとも１つの第一冗長スイッチと、を備えた電力供給システム。
【請求項６２】
各々が前記それぞれ１つの燃料電池システムの動作状態とは異なる動作状態に応答して、前記燃料電池システムのそれぞれ１つを前記電力バスに電気的に結合するように選択的に動作可能な追加の幾つかの冗長スイッチをさらに備えた請求項６０に記載の電力供給システム。
【請求項６３】
前記第一冗長スイッチが応答する動作条件は、前記第一冗長スイッチが前記電力バスに電気的に結合するよう選択的に動作可能である、それぞれ最初の燃料電池システム以外の少なくとも１つの燃料電池システムの動作状態である請求項６０に記載の電力供給システム。
【請求項６４】
前記第一冗長スイッチが応答する動作条件は、前記第一冗長スイッチが前記電力バスに電気的に結合するよう選択的に動作可能である、それぞれ最初の燃料電池システム以外の少なくとも１つの燃料電池システムの出力での電圧である請求項６０に記載の電力供給システム。
【請求項６５】
前記各々の燃料電池システムはさらに、前記それぞれの燃料電池システムも動作パラメータのセットを判定するための幾つかのセンサと、判定された前記動作パラメータのセットに基づいて前記それぞれの燃料電池システムの動作状態を判定するように構成されたプロセッサとを備えたとともに、前記第一冗長スイッチが応答する動作条件は少なくとも１つの前記プロセッサによって判定された動作条件である請求項６０に記載の電力供給システム。
【請求項６６】
前記第一冗長スイッチが応答する動作状態は、前記電力バスの電力出力、該電力バスの両端間の電圧、前記電力バスの電流出力、前記電力供給システムの所望の公称電力出力、前記電力供給システムの所望の公称電圧出力、前記電力供給システムの所望の公称電流出力のうちの少なくとも１つである請求項６０に記載の電力供給システム。
【請求項６７】
前記複数個の燃料電池システムの各々から動作パラメータのセットを受信するように通信可能に結合されていて、前記動作パラメータのセットに基づいて前記燃料電池システムの動作状態を判定するコントローラをさらに備えたとともに、前記第一冗長スイッチが応答する動作状態は前記コントローラによって判定された動作状態である請求項６０に記載の電力供給システム。
【請求項６８】
少なくとも２つの燃料電池システムと、
該少なくとも２つの燃料電池システムを選択的に電気的に直列に結合するための手段と、を備えた電力供給システム。
【請求項６９】
前記少なくとも２つの燃料電池システムを選択的に電気的に直列に結合するための手段は、前記各燃料電池システム用のそれぞれのスイッチを備え、該各スイッチは前記他の燃料電池システムの少なくとも１つの動作状態に応答する請求項６８に記載の電力供給システム。
【請求項７０】
少なくとも第一および第二燃料電池システムを有する電力供給システムの動作方法であって、
第一燃料電池システムを最初に電力バスに電気的に直列に結合するステップと、
故障状態の存在を判定するステップと、
該故障状態に応答して、二番目に自動的に第二燃料電池システムを前記電力バスに電気的に直列に結合するステップと、
前記第一燃料電池システムを自動的に前記電力バスから分断するステップと、を含む方法。
【請求項７１】
故障状態の存在を判定するステップは、出力電力、出力電圧、出力電流、バッテリ電流、バッテリ電圧、スタック電流、周囲の水素レベル、周囲の酸素レベル、および前記第一燃料電池システムへの反応物質の流れのすきなくとも１つをモニターすることを含む請求項７０に記載の方法。
【請求項７２】
複数個の燃料電池システムと、電力バスに電気的に直列に結合された第一の幾つかの燃料電池システムと、電力バスに電気的に直列に結合された第二の幾つかの燃料電池システムとを含む燃料電池システムの動作方法であって、
前記第一の幾つかの燃料電池システムの少なくとも１つでの故障状態の存在を判定するステップと、
前記燃料電池システムの前記電力バス上の電気的出力を保持するために、前記故障状態の存在の判定に応答して、前記第二の幾つかの燃料電池システムの少なくとも１つを自動的に前記電力バスに電気的に直列に結合するステップと、を含む方法。
【請求項７３】
前記故障状態を有する前記燃料電池システムの少なくとも１つを交換用燃料電池システムと交換するステップと、
前記燃料電池システムの前記電力バス上の電気的出力を保持するために、前記故障状態の存在の判定に応答して、前記交換用燃料電池システムを前記電力バスに電気的に直列に結合するステップと、をさらに含む請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
前記燃料電池システムの前記電力バス上の電気的出力を保持するために、前記故障状態の存在の判定に応答して、自動的に前記第二の幾つかの燃料電池システムを前記電力バスに電気的に直列に結合するステップは、前記第位置の幾つかの燃料電池システムの少なくとも１つの出力電力、出力電流、および出力電圧の少なくとも１つの故障状態に関連する減少に比例して前記燃料電池と前記電力バスとの間に電気的に結合された第一トランジスタを起動させるステップを含む請求項７２、または７３に記載の方法。
【請求項７５】
少なくとも幾つかを電力バスに選択的に結合可能である複数個の燃料電池システムを有する電力供給システムの動作方法であって、
負荷に基づいて前記電力供給システム用の所望の電力、所望の電流、および所望の電圧の少なくとも１つを決定するステップと、
幾つかの直列の組合せと並列の組合せで前記電力バスに電気的に結合される際に、前記決定された所望の電力、前記決定された所望の電流、および前記決定された所望の電圧を供給する幾つかの燃料電池システム用の電気的構成を決定するステップと、
前記幾つかの燃料電池システムを前記決定された電気的構成で前記電力バスに電気的に結合するように幾つかのスイッチを自動的に作動させるステップと、を含む方法。
【請求項７６】
前記幾つかの燃料電池システムを前記決定された電気的構成で前記電力バスに電気的に結合するように幾つかのスイッチを自動的に作動させるステップは、前記燃料電池システムの少なくとも２つを電気的に直列に結合するために前記スイッチの少なくとも１つを閉じることを含む請求項７５に記載の方法。
【請求項７７】
前記幾つかの燃料電池システムを前記決定された電気的構成で前記電力バスに電気的に結合するように幾つかのスイッチを自動的に作動させるステップは、前記燃料電池システムの少なくとも２つを電気的に並列に結合するために前記スイッチの少なくとも１つを閉じることを含む請求項７５に記載の方法。
【請求項７８】
前記幾つかの燃料電池システムを前記決定された電気的構成で前記電力バスに電気的に結合するように幾つかのスイッチを自動的に作動させるステップは、前記燃料電池システムの少なくとも２つを電気的に直列に結合するために前記スイッチの少なくとも第一の１つを閉じ、かつ少なくとも１つの前記燃料電池システムを直列に結合された前記燃料電池システムの少なくとも２つと電気的に並列に結合するために前記スイッチの少なくとも第二の１つを閉じることを含む請求項７５に記載の方法。
【請求項７９】
前記幾つかの燃料電池システムを前記決定された電気的構成で前記電力バスに電気的に結合するように幾つかのスイッチを自動的に作動させるステップは、前記燃料電池システムの少なくとも２つを電気的に並列に結合するために前記スイッチの少なくとも第一の１つを閉じ、かつ少なくとも１つの燃料電池を並列に結合された前記燃料電池システムの２つと電気的に直列に結合するために前記スイッチの少なくとも第二の１つを閉じることを含む請求項７５に記載の方法。
【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に関し、特に燃料電池システムの出力電圧の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械式燃料電池は燃料およびオキシダントを電気に変換する。固体ポリマー電気機械式燃料電池は一般に膜電極アセンブリ（“ＭＥＡ”）を使用しており、これは標準的には炭素繊維紙、またはカーボン・クロスのような多孔質の、導電性シート材料層を備えた２個の電極間に配置されたイオン交換膜または固体ポリマー電界質を含んでいる。ＭＥＡは所望の電気化学反応を誘発するために各々の膜電極で、標準的には微粉砕されたプラチナの形態の触媒層を含んでいる。動作時には、電極は外部回路を経て電極間に電子を導通させるために電気的に結合される。標準的には、幾つかのＭＥＡが電気的に直列に結合されて、所望の電力出力を有する燃料電池スタックを形成する。
【０００３】
標準的な燃料電池の場合、ＭＥＡは２枚の導電性液体フローフィールドプレートの間に配置されている。液体フローフィールドプレートは燃料とオキシダントとを電極、すなわち陽極と陰極にそれぞれ送るための流路を有している。液体フローフィールドプレートは集電装置として機能し、電極をサポートし、燃料およびオキシダント用のアクセス・チャネルを提供し、燃料電池の動作中に生成された水などの反応生成物を除去するためのチャネルを提供する。燃料電池システムは反応を維持する際に反応生成物を利用してもよい。例えば、イオン交換膜を水和させ、および／または燃料電池スタックの温度を維持するために反応水を利用できる。
【０００４】
スタック電流は反応物質の流れの一次関数であり、スタック電流は反応物質の流れの増大と共に増加する。スタック電圧は非線形の数学的関係でスタック電流とは逆に変化する。反応物質の所定の流れでのスタック電圧とスタック電流との関係は、標準的には燃料電池スタックに関する分極曲線として表される。１組、または１群の分極曲線が反応物質の多様な流量でのスタック電圧とスタック電流との関係を表すことができる。
【０００５】
ほとんどの用途では、燃料電池スタックからの電圧出力をほぼ一定に保つことが望ましい。１つのアプローチは、負荷の需要が燃料電池スタックの出力を超えると追加の電流を供給するために、燃料電池システムでバッテリを使用することである。このアプローチはバッテリの充電量を保持するために別個のバッテリ充電電源を必要とすることが多く、システムに不要なコストと複雑さをもたらす。別個のバッテリ充電電源の必要性をなくすために燃料電池スタックと並列にバッテリを配置する試みによってその他の課題が生ずる。これらの課題には例えば、バッテリの過充電の防止、効率の向上、並びに燃料電池スタック、バッテリ、および／または負荷間での電圧、電流、または電力変換または整合コンポーネントの必要性が含まれる。コストがより低く、複雑さが少なく、および／またはより効率的なアプローチが望ましい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの態様では、燃料電池システムは燃料電池スタックと、バッテリと、燃料電池スタックの少なくとも一部とバッテリの一部との間に電気的に結合された直列通過素子と、バッテリ充電電流エラー、バッテリ電圧エラー、およびスタック電流エラーのうちの大きい値に応答して、直列通過素子を通る電流を調整する調整回路とを含んでいる。
【０００７】
別の態様では、燃料電池システムは燃料電池に反応物質を供給するための反応物質供給システムを含んでおり、この反応物質供給システムは少なくとも幾つかの燃料電池への反応物質の流れの分圧を制御するように調整可能な少なくとも第一の制御素子と、この第一制御素子に結合された制御回路とを有している。制御回路は、直列通過素子の両端間の電圧の、例えば直列通過素子向けの飽和レベルの約７５％および９５％のようなある所望値からの偏差に基づいて第一制御素子を制御してもよい。その代わりに、またはそれに加えて、制御回路は、時間経過を経たバッテリへの、またはバッテリからの電流の流入および流出、バッテリ電圧、またはバッテリの充電状態のようなバッテリの所定の動作状態に基づいて、第一制御素子を制御してもよい。
【０００８】
別の態様では、燃料電池システムは第一ステージとして直列通過素子および調整回路を含み、また第二ステージとして反応物質供給システムおよび制御回路を含んでいてもよい。第一と第二ステージとは、バッテリを損傷から保護しつつ効率的かつ連続的な出力電圧の制御を達成するため、並列に結合されたバッテリと連携して協同して、また同時にさえ動作する。第一ステージは比較的迅速な反応ステージであり、一方、第二ステージは第一ステージと比較してより遅い反応ステージである。第一ステージによって、損傷なく効率的にバッテリが適切に充電および放電されることが確実にされる。第二ステージは燃料電池スタック動作の効率（すなわち燃料電池がそれに基づいて動作している特定の分極曲線として表される効率）を制御する。このようにして、第二ステージは燃料電池スタックを介して（すなわち効率が低い動作を介して）より多くのエネルギを散逸させることによって、直列通過素子によって散逸される熱量を制限する。
【０００９】
さらに別の態様では、複合燃料電池システムは、所望の電圧の所望の電流を発生するために、直列および／または並列の組合せで電気的に結合された２つ以上の個々の燃料電池システムを含んでいる。
【００１０】
図面では、同一の参照番号は同類の素子または動作を特定するものである。図面における素子のサイズと相対位置は必ずしも縮尺どおりではない。例えば、さまざまな素子の形状および角度は縮尺どおりではなく、図面の明解さを高めるため、これらの素子の幾つかは任意に拡大され、配置されている。さらに、図示されている素子の特定の形状は特定の素子の実際の形状に関する何らかの情報伝達を意図するものではなく、単に図面中の認識を容易にするために選択されたに過ぎない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下の説明では、本発明のさまざまな実施形態を完全に理解するためにある特定の細部が開示される。しかし、本発明をこれらの細部なしでも実施できることが当業者には理解されよう。別の例では、本発明の実施形態の説明を不要に不明瞭にしないために、燃料電池、燃料電池スタック、バッテリ、および燃料電池システムに関する公知の構造は詳細には図示、または説明していない。
【００１２】
文脈上、別途必要がない場合は、以下の明細書および特許請求の範囲を通して“ｃｏｍｐｒｉｓｅ”（備える）という用語、および“ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ”および“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”のようなその変形は“含んでいるが、それに限定されるものではない”という開かれた包括的な意味であると解釈されるべきものとする。
（燃料電池システムの概要）
図１は本発明の図示した実施形態による負荷１２に電力を供給する燃料電池システム１０を示している。負荷１２は標準的には車両、機器、コンピュータ、および／または関連の周辺機器のような、燃料電池システム１０のよって給電されるデバイスを構成する。燃料電池システム１０は標準的には負荷１２の一部であるとは見なされないが、制御用電子素子のような燃料電池システム１０の一部は、考えられるある実施形態では負荷１２の一部または全部を構成することがある。
【００１３】
燃料電池システム１０は電気的に直列に結合された幾つかの個別燃料電池からなる燃料電池スタック１４を含んでいる。燃料電池スタック１４は反応物質供給システム１６を経て水素および空気のような、矢印９で示された反応物質を受ける。反応物質供給システム１６は１つ以上の反応物質供給タンクまたは供給源１１、リフォーマ（図示せず）、および／または１つ以上のコンプレッサ、ポンプ、および／またはバルブ１８、またはその他の反応物質調整素子のような１つ以上の制御素子を含んでいてもよい。燃料電池スタック１４の動作で、標準的には水を含む矢印２０で示された反応生成物が生成される。燃料電池システム１０は反応生成物の一部または残部を再利用してもよい。例えば、矢印２２で示されるように、水素および空気を適正温度で湿らせ、および／またはイオン交換膜（図示せず）を水和させ、または燃料電池スタック１４の温度を制御するために水の一部または全部を燃料電池スタック１４に戻してもよい。
【００１４】
燃料電池スタック１４は開回路電圧および直列抵抗Ｒｓと等価の電圧を有する最適なバッテリとしてモデル化できる。直列抵抗Ｒｓは特定の燃料電池スタック１４向けの分極曲線に従って変化する。直列抵抗Ｒｓは所定の任意の電流について所望の電圧を降下するように反応物質の利用可能性を制御することによって調整でき、それによってスタック電流Ｉｓの範囲全域でほぼ均一なスタック電圧Ｖｓが可能になる。反応物質の流れと直列抵抗Ｒｓとの関係は図１に破線矢印１３で示されている。しかし、燃料電池システム１０内で反応物質全体の圧力と反応圧とを単に低減するだけで、システム動作全体が、例えばイオン交換膜の水和および／または燃料電池スタックの温度制御が妨害されることがある。このような好ましくない結果を回避するため、燃料電池システム１０は後に詳述するように反応物質の分圧を調整できる。
【００１５】
燃料電池スタック１４は正と負の電圧レール１９ａ、１９ｂによって形成された高圧バスの両端間にスタック電圧Ｖｓを発生する。スタック電流Ｉｓは燃料電池スタック１４から高圧バスを経て負荷１２へと流れる。ここで用いられる“高圧”とは従来の燃料電池スタック１４によって発生される電力負荷１２への電圧（例えば５Ｖ）のことであり、制御および／または通信用に燃料電池システム１０によって利用される他の電圧と区別するために用いられる。したがって、高圧は他の電気系統に対して必ずしも“高い”わけではない。
【００１６】
燃料電池システム１０は付加１２に給電するために高圧バスのレール１９ａ、１９ｂの両端間に電気的に燃料電池スタック１４と並列に結合されたバッテリ２４を含んでいる。バッテリ２４の開回路電圧は燃料電池スタック１４の全負荷電圧と同じになるように選択される。バッテリ２４の内部抵抗ＲＢは燃料電池スタック１４の内部抵抗よりも大幅に低くなるように選択される。このようにしてバッテリ２４は、負荷１２が必要とする以上の電流を燃料電池スタック１４が生成すると過剰電流を吸収し、負荷１２が必要とするより少なの電流を燃料電池スタック１４が生成すると負荷１２に電流を供給するバッファとして機能する。高圧バス１９ａ、１９ｂの両端間の電圧２４は開回路電圧からバッテリ放電電流を減算し、バッテリ２４の内部抵抗ＲＢの値を乗算した値である。バッテリ２４の内部抵抗ＲＢが小さいほど、バス電圧の変動がすくなくなる。
【００１７】
電流がバッテリ２４から燃料電池スタック１４に流れることを防止するため、オプションの逆電流阻止ダイオードＤ１を燃料電池スタック１４とバッテリ２４との間に電気的に結合することができる。逆電流阻止ダイオードＤ１の欠点は、これに関連するダイオードの電圧降下である。燃料電池システム１０はさらに他のダイオード、並びにヒューズまたは短絡および／またはサージを防止するためのその他のサージ防護素子を含んでいてもよい。
（ステージ）
図１に示すように、燃料電池システム１０は２つの制御ステージを備えている。すなわち、直列通過素子３２と、直列通過素子を通る電流を調整する調整回路３４とを使用する第一ステージと、燃料電池スタック１４への直列抵抗Ｒｓを制御するために反応物質の流れの分圧を制御する第二ステージとである。第一と第二ステージとは、バッテリ２４を損傷から保護しつつ効率的かつ連続的な出力電圧の制御を達成するため、並列に結合されたバッテリ２４と連携して協同して、また同時にさえ動作する。実施形態によっては、燃料電池システム１０は第一ステージだけを、または第二ステージだけを含んでいて、簡単で低コストの代替実施形態を提供するものもある。
【００１８】
第一ステージは比較的迅速な反応ステージであり、一方、第二ステージは第一ステージと比較してより遅い反応ステージである。前述のとおり、バッテリ２４は負荷の要求の変化に極めて迅速に応答して、需要が燃料電池スタック１４の出力以上である場合は電流を負荷１２に供給し、燃料電池スタック１４の出力が負荷１２の需要を超える場合は冗長電流を低下させる。直列通過素子３２を通る電流の流れを制御することによって、第一ステージは、損傷なく効率的にバッテリが適切に充電および放電されることを確実にする。反応物質の分圧、ひいては直列抵抗Ｒｓを制御することによって、第二ステージは燃料電池スタック１４の動作の効率（すなわち燃料電池がそれに基づいて動作している特定の分極曲線として表される効率）を制御する。このようにして、第二ステージは燃料電池スタック１４を介して（すなわち効率が低い動作を介して）より多くのエネルギを散逸させることによって、直列通過素子３２によって散逸される熱量を制限する。
【００１９】
燃料電池スタック１４がエネルギを熱として散逸させる場合は、このエネルギは燃料電池システムのさまざまな部分で再生可能であり、ひいては燃料電池システムの他の部分で再利用できる（すなわちコージェネレーション）。例えば、熱として散逸されたエネルギは気流、スタック冷媒を介して、または反応物質を介して燃料電池スタック１４へとリサイクルできる。付加的に、または代替として、熱として散逸されたエネルギはリフをマ（図示せず）、燃料電池システム１０の他の部分、または何らかの外部システムへとリサイクルしてもよい。加えて、直列通過素子３２が散逸しなければならないエネルギ量を制限することによって、直列通過素子３２およびいずれかの関連ヒートシンクのサイズおよび関連コストを縮減することができる。
【００２０】
第一および第二ステージの詳細は後に詳述する。
（第一ステージの概要、直列通過素子レギュレータ）
図１を引き続き参照すると、燃料電池システム１０の第一ステージは燃料電池スタック１４からバッテリ２４および負荷１２への電流Ｉｓの流れを制御するために燃料電池スタック１４とバッテリ２４との間に電気的に結合された直列通過素子３２を含んでいる。燃料電池システム１０の第一ステージはさらに燃料電池システム１０のさまざまな動作パラメータに基づいて直列通過素子３２を調整するために結合された調整回路３４をも含んでいる。直列通過素子３２は燃料電池スタック１４とバッテリ２４との間に電気的に結合されたドレンおよびソースを有し、かつ調整回路３４の出力に電気的に結合されたゲートを有する電界効果トランジスタ（“ＦＥＴ”）の形式をとることができる。
【００２１】
燃料電池システム１０の第一ステージは燃料電池システム１０のさまざまな動作パラメータを判定するための幾つかのセンサを含んでいる。例えば、燃料電池システム１０はバッテリ電流ＩＢを判定するために結合されたバッテリ充電電流センサ３６を含んでいる。さらに例えば、燃料電池システム１０はスタック電流Ｉｓを判定するために結合された燃料電池スタック電流センサ３８を含んでいる。さらに例えば、燃料電池システム１０はバッテリ２４の両端間の電圧ＶＢを判定するためのバッテリ電流センサ４０を含んでいる。加えて、燃料電池システム１０はバッテリ２４、またはバッテリ２４の近傍の温度を判定するために配置されたバッテリ温度センサ４２を含んでいてもよい。センサ３６−４２は調整回路３４から離散しているものとして示されているが、実施形態によっては１つ以上のセンサ３６−４２を調整回路３４の一部として一体に形成してもよい。
【００２２】
燃料電池システム１０の第一ステージは燃料電池システム１０の始動中に電圧をゆっくりと引き上げるためのソフト・スタート回路１５を含んでいてもよい。燃料電池システム１０はさらに、例えば負荷がない場合、または負荷１２が電力を消費しない場合に、バッテリ２４の損傷を防止するため迅速に電源を切断するための迅速遮断回路１７を含んでいてもよい。
（第二ステージの概要、反応物質の分圧コントローラ）
燃料電池システム１０の第二ステージはコントローラ２８、アクチュエータ３０、およびバルブ１８のような反応物質の流れレギュレータを含んでいる。コントローラ２８は直列通過素子３２の入力側からの第一電圧値Ｖ１と、直列通過素子３２の出力側からの第二電圧値Ｖ２とを受ける。コントローラ２８は、バルブ１８またはその他の反応物質の流れ調整素子を介して燃料電池スタック１４への反応物質の流れを調整するため、第一電圧Ｖ１と第二電圧Ｖ２との差に基づいて制御信号をアクチュエータ３０に供給する。
【００２３】
バッテリ２４は利用できる反応物資と消費された反応物質との何らかの短期的な不整合をカバーするので、燃料電池の反応物資供給システム１６に必要な反応速度は電気的な負荷の変化速度よりも大幅に遅くてよい。燃料電池の反応物資供給システム１６に必要な反応速度は主としてバッテリ２４の充電／放電サイクルの深さ、および直列通過素子３２を経たエネルギ散逸に影響を及ぼす。
（第一ステージの説明、直列通過素子調整）
図２はバッテリ充電電流エラー、スタック電流エラー、およびバッテリ電圧エラーを判定し、かつ判定されたエラーのうちの大きい値に対応して直列通過素子３２への出力を生成するためのコンポーネントを含む調整回路３４の一実施形態を示す。
【００２４】
調整回路３４はバッテリ充電電流エラーを判定するためのバッテリ充電電流エラー積分回路４４と、バッテリ充電電流制限回路４６とを含んでいる。バッテリ充電電流制限回路４６はバッテリ充電電流エラー積分回路４４の反転端子にバッテリ充電電流制限値を供給し、一方、バッテリ充電電流センサ３６は非反転端子にバッテリ充電電流値を供給する。コンデンサＣ９がバッテリ充電電流エラー積分回路４４の反転端子と出力端子との間に結合されている。バッテリ充電電流制限エラー積分回路４４はバッテリ充電電流値とバッテリ充電電流制限値との差を積分する。
【００２５】
調整回路３４はスタック電流エラーを判定するためのスタック電流エラー積分回路５０と、スタック電流制限回路５２とを含んでいる。スタック電流制限回路５２はスタック電流エラー積分回路５０の反転端子にスタック電流制限値を供給し、一方、スタック電流センサ３８は非反転端子にスタック電流値を供給する。コンデンサＣ８がスタック電流エラー積分回路５０の反転端子と出力端子との間に結合されている。スタック電流制限エラー積分回路５０はスタック電流値とスタック電流制限値との差を積分する。スタック電流制限に対する第二ステージの制限効果は破線矢印５３によって示されている。
【００２６】
調整回路３４はバッテリ電圧エラー積分回路５６と、バッテリ電圧設定回路５８とを含んでいる。バッテリ電圧設定回路５８はバッテリ電圧エラー積分回路５６の反転端子にバッテリ電圧制限値を供給し、一方、バッテリ電圧センサ４０は非反転端子にバッテリ電圧値を供給する。コンデンサＣ７がバッテリ電圧エラー積分回路５６の反転端子と出力端子との間に電気的に結合されている。バッテリ電圧エラー積分回路５６はバッテリ電圧値とバッテリ電圧設定値との差を積分する。
【００２７】
調整回路３４はさらにバッテリ温度検出器４２によるバッテリ温度測定を利用して補償値を生成する温度補償回路６２を含んでいてもよい。バッテリ電圧設定回路５８はバッテリ電圧設定値を判定するために補償値を利用する。
【００２８】
調整回路３４はさらにエラー積分器４４，５０，５６の出力値のうちの大きい値を選択するためのＯＲ回路６４を含んでいる。ＯＲ回路６４は共通に結合された陰極を有する３個のダイオード（図示せず）の形態をとることができる。各ダイオードの陽極はエラー積分回路４４，５０，５６のそれぞれ１つに電気的に結合されている。
【００２９】
調整回路３４はさらに、反転レベルシフタ６８のようなレベルシフタによって直列通過素子３２の制御端子（例えばゲート）に電圧を印加するためのチャージポンプ６６を含んでいる。反転レベルシフタ６８は入力値から反転された線形出力値を供給する。
【００３０】
図３は調整回路としてマイクロプロセッサ７０を使用している燃料電池システム１０の第一ステージの代替実施形態を示している。この代替実施形態および本明細書に記載するその他の代替例および代替実施形態は前述の実施形態とほぼ同様であり、共通の動作および構造は同じ参照番号で特定されている。動作と構造の重要な相違だけを以下に説明する。
【００３１】
マイクロプロセッサ７０は調整回路３４（図１）の機能を実行するようにプログラムされ、または構成されている。例えば、マイクロプロセッサ７０はバッテリ充電電流、スタック電流、およびバッテリ電圧の値の一部または全部のエラー積分を実行できる。マイクロプロセッサ７０はバッテリ充電電流制限値、スタック電流制限値および／またはバッテリ電圧制限値の一部または全部を記憶することができる。マイクロプロセッサ７０はさらに、バッテリ温度検出器４２によって判定されたバッテリ温度に基づいて温度補償を決定することができる。さらに、マイクロプロセッサ７０はエラー値のうちの大きい値を選択して、直列通過素子３２の制御端子に適宜の信号を供給することができる。
【００３２】
図４は図１，２、および３の燃料電池システム１０の第一ステージの動作方法１００の例を示している。この方法１００は動作中、燃料電池システム１０の動作パラメータの継続的な調整を繰り返す。
【００３３】
ステップ１０２で、バッテリ充電電流センサ３６（図１−３）はバッテリ充電電流ＩＢの値を判定する。ステップ１０４で、バッテリ充電電流エラー積分回路４４（図２）、またはマイクロプロセッサ７０（図３）がバッテリ充電電流エラーの値を判定する。
【００３４】
ステップ１０６で、スタック電流センサ３８（図１−８）スタック電流の値を判定する。ステップ１０８で、スタック電流エラー積分回路５０（図２０）またはマイクロプロセッサ７０（図２）がスタック電流エラーの値を判定する。
【００３５】
ステップ１１０で、バッテリ電圧センサ４０（図１−３）がバッテリ２４の両端間の電圧ＶＢを判定する。動作ステップ１１２で、バッテリ温度センサ４２がバッテリ２４、またはバッテリ２４の近傍空間の温度を判定する。動作ステップ１１４で、温度補償回路６２（図２）またはマイクロプロセッサ７０（図３）が判定されたバッテリ温度に基づいてバッテリ電流の制限値を判定する。ステップ１１６で、バッテリ電流エラー積分回路５６（図２）またはマイクロプロセッサ７０（図３）がバッテリ電圧エラー値を判定する。
【００３６】
燃料電池システム１０は、例えばステップ１０２の前にステップ１０６を実行し、またはステップ１０２および／またはステップ１０６の前にステップ１１０を実行するというように、上記とは異なる順序でステップ１０２、１０６、および１１０を実行してもよい。センサ３６，３８，４０，４２は並行して動作しているように見えるように、同時に、またはほぼ同時にステップ１０２，１０６，１１０，１１２を実行してもよい。このように、上記の動作の列挙は何らかの特定のシーケンス、すなわち順序を特定するものではない。
【００３７】
ステップ１１８で、ＯＲ回路６４（図２）、またはマイクロプロセッサ７０（図３）内に構成されたＯＲ回路が判定された値のうちの大きい値を判定する。ＯＲ回路はマイクロプロセッサ７０内に配線で接続されてもよく、または実行可能な命令の形態をとってもよい。ステップ１２０で、チャージポンプ６６（図２）は電荷を生成する。図示はされていないが、図３の実施形態はさらにチャージポンプを含んでいてもよく、またはマイクロプロセッサ７０が適宜の信号値を生成することができる。ステップ１２２で、レベルシフタ６８（図２）またはマイクロプロセッサ７０（図３）が判定されたエラー値のうちの大きい値に比例して、入力電圧として直列通過素子３２（図１−３）に電荷を印加する。
【００３８】
このように、燃料電池システム１０の第一ステージは基本的に３つのモードで動作する。すなわち、バッテリ電圧制限モード、スタック電流制限モード、およびバッテリ充電電流制限モードである。例えば、バッテリ２４が排電されると、燃料電池システム１０はバッテリ２４への損傷を防止するためにバッテリ充電電流モードに入って、バッテリ充電電流を制限する。バッテリ２４が再充電されると、燃料電池システム１０はバッテリ２４を硫酸化させずにバッテリの浮動電圧（（例えばフル充電の約７５−９５％）を保持するために電圧制限モードに入って、バッテリ２４にトリクル充電を行う。燃料電池スタック１４が供給できる以上の電流を負荷１２が引き込むと、燃料電池システム１０はスタック電流制限モードに入る。加えて、第四の“飽和”モードがあってもよく、このモードでは負荷１２がさらに多くの電流を引き込むと、スタック電圧ＶＳがバッテリ電圧ＶＢ未満に降下する。この“飽和”モードではバッテリ２４は放電し、バッテリ２４が前述のように充分に排流されていれば、場合によってはバッテリ充電電流制限モードに入る。
（第二ステージの説明、反応物質の分圧制御）
図５Ａは動作条件として直列通過素子３２の両端間の電圧差を利用する燃料電池システム１０の第二ステージをさらに詳細に示している。
【００３９】
より具体的には、コントローラ２８は直列通過素子３２の入力側からの第一電圧値Ｖ１と、直列通過素子３２の出力側からの第二電圧値Ｖ２とを受ける第一比較器９０Ａを含んでいる。第一比較器９０Ａは第一および第二の電圧Ｖ１、Ｖ２の差に対応する処理変数△Ｖを生成する。
【００４０】
コントローラ２８はさらに第一比較器９０Ａから処理変数△Ｖおよび設定値を受ける第二比較器９２を含んでいる。比較器９２は処理変数△Ｖと設定値とを比較し、かつ第一制御電圧ＣＶ１を生成する。設定値は直列通過素子３２の所望の最高動作レベルを反映したものであり、標準的には直列通過素子３２用の飽和直列通過素子の約７５％と約９５％の間にある。飽和値の８０％の設定値は特に好適であり、燃料電池スタック１４が部分負荷の下で動作している場合でも回路にある種の解決をもたらす。
【００４１】
比較器９２は結果として生じた制御変数ＣＶ１をアクチュエータ３０に供給し、このアクチュエータはそれに従ってコンプレッサまたはバルブ１８を調整する。バルブ１８は、燃料電池システム１０用の第二の制御変数ＣＶ２の役割を果たす燃料電池スタック１４への反応物質の分圧を調整する。前述のように、反応物質の分圧の制御によって燃料電池スタック１４の内部抵抗ＲＳが調整され、同時に燃料電池スタック１４の電力出力が調整される。第一および第二の比較器９０ａ、９２は離散型のコンポーネントでもよく、またはマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、またはその他の集積回路として実装されてもよい。
【００４２】
コントローラ２８はさらにバッテリ２４を燃料電池１４と並列に電気的に結合する第一スイッチ９６、および負荷１２を燃料電池スタック１４およびバッテリ２４と並列に電気的に結合する第二スイッチ９８のような、さまざまなスイッチを制御するための論理９４を含んでいてもよい。
【００４３】
図６Ａは図１および５Ａの燃料電池システム１０も第二ステージの動作方法２００の例を示している。ステップ１０２で、バッテリ２４は燃料電池スタック１４と並列に電気的に結合される。ステップ２０４で、負荷１２がバッテリ２４および燃料電池スタック１４と電気的に結合される。ステップ２０６で、バッテリ２４および燃料電池スタック１４の少なくとも一方が負荷１２に電流を供給する。燃料電池スタック１４が負荷１２の需要を満たすのに充分な電流を生成している場合は、燃料電池スタック１２は電流を負荷１２に供給する。燃料電池スタック１４からの冗長電流はバッテリ２４を再充電する。燃料電池スタック１４が需要を満たすのに充分な電流を生成していない場合は、バッテリ２４は電力の一部、または全部をも負荷１２に供給してもよい。
【００４４】
ステップ２０８で、燃料電池システム１０の第二ステージは直列通過素子３２の入力側の第一電圧Ｖ１を判定する。ステップ２１０で、燃料電池システム１０の第二ステージは直列通過素子３２の出力側の第二電圧Ｖ２を判定する。ステップ２０８と２１０の順序は重要ではなく、どの順序でも、または同時にさえも実行できる。
【００４５】
ステップ２１２で、第一比較器９０Ａは第一および第二の電圧Ｖ１、Ｖ２の差を比較する。ステップ２１４で第二比較器９２が判定された差△Ｖを設定値と比較する。ステップ２１６で、燃料電池システム１０の第二ステージは判定された偏差量に基づいて、アクチュエータ３０とバルブ１８とを経た燃料電池スタック１４への少なくとも１つの反応物質の流れの分圧を調整する。例えば、燃料電池システム１０は水素の分圧、オキシダント（例えば空気）の分圧、または水素と酸素の双方の分圧を調整できる。前述のように、所定の任意のスタック出力電流で降下する電圧を制御するために、燃料および／またはオキシダントの分圧を変更することによって、燃料電池スタック１４に固有の内部直列抵抗ＲＳを変更することができる。このようにして分圧を変更することによって、直列通過素子３２の両端間の最大の電圧効果を低減することができる。
【００４６】
図５Ｂは動作条件としてバッテリ電流を利用する燃料電池システム１０の第二ステージの別の実施形態をさらに詳細に示している。この特定の実施形態および本明細書に記載するその他の特定の実施形態は前述の実施形態とほぼ同様であり、共通の動作および構造は同じ参照番号で特定されている。動作と構造の重要な相違だけを以下に説明する。図５Ｂに示されている実施形態は第二ステージを形成する調整回路（図１−４）と共に燃料電池システム１０に実装してもよく、または第一ステージの調整回路なしで独立して使用してもよい。
【００４７】
図５Ｂの実施形態では、バッテリ状態センサはバッテリ２４への、またそこからの電流を検出するように結合された電流センサ２６ｂの形態をとっている。コントローラ２８はバッテリ充電電流積分器９０を含んでいる。積分器９０は離散型のコンポーネントでもよく、またはマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ内に実装されてもよい。積分器９０はバッテリ２４のおおよその全体的な充電を判定するためにバッテリ充電電流を積分する。積分器９０には動作開始実施形態に適正な初期バッテリ充電量が供給され、また時々有理化される必要がある。その結果生じた処理変数（“ＰＶ”）は比較器９２に送られる。
【００４８】
比較器９２は離散型の比較器でもよく、またはマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ内に実装されてもよい。比較器９２はＰＶを設定値と比較し、第一制御電圧（“ＣＶ１”）を生成する。設定値は動作開始時の所望の公称バッテリ充電量を反映し、標準的にはバッテリのフル充電の約７５％と約９５％の間にあってよい。比較器９２は結果として生じたＣＶ１をアクチュエータ３０に供給し、アクチュエータはそれに従ってコンプレッサまたはバルブ１８を調整する。バルブ１８は燃料電池システム１４用の第二の制御変数（“ＣＶ２”）としての役割を果たす、燃料電池スタックへの反応物質の分圧を調整する。前述のとおり、反応物質の分圧を制御することで、燃料電池スタック１４の内部抵抗ＲＳが調整され、同時に燃料電池スタック１４の電力出力が調整される。
【００４９】
コントローラ２８はさらにバッテリ２４を燃料電池１４と並列に電気的に結合する第一スイッチ９６、および負荷１２を燃料電池スタック１４およびバッテリ２４と並列に電気的に結合する第二スイッチ９８のような、さまざまなスイッチを制御するための論理９４を含んでいてもよい。
【００５０】
図６Ｂは図５Ｂの燃料電池システム１０も第二ステージの動作方法３００の例を示している。ステップ３０２で、バッテリ２４は燃料電池スタック１４と並列に電気的に結合される。ステップ３０４で、センサ２６ｂがバッテリ２４への、またそこからの電流の流れを判定する。ステップ３０６で、積分器９０ｂはバッテリ２４の全充電量を判定するためにバッテリ電流の流れを積分する。
【００５１】
ステップ３０８で、比較器９２は積分されたバッテリ電流も流れを設定値と比較する。この設定値はバッテリ２４を適宜の浮動電圧に保持することによって、例えば硫酸化によるバッテリ２４への損傷を防止するために、バッテリにトリクル充電を行うように選択される。そのための適切な範囲は所望のバッテリ充電量の約７５％から９５％の間でよく、所望の公称バッテリ充電量の約８０％が特に適している。
【００５２】
ステップ３１０で、燃料電池システム１０は所望のバッテリ充電を保持するために燃料電池スタック１４への燃料の流れの分圧を調整する。例えば、アクチュエータ３０は１つ以上のバルブ１８を介して水素の分圧を調整できる。あるいは、アクチュエータ３０は１つ以上のコンプレッサ（図示せず）の速度を調整できる。ステップ３１２で、燃料電池システム１０は所望のバッテリ充電を保持するため、燃料電池スタックへのオキシダント（例えば空気）の流れの分圧を調整する。この場合も、燃料電池システム１０はオキシダントの分圧を調整するため、１つ以上の数値１８、および／または１つ以上のコンプレッサ（図示せず）を使用できる。コントローラ２８は燃料とオキシダントとの適切な化学量論的関係を保持する試みを行ってもよい。
【００５３】
図５Ｃは動作条件としてバッテリ２４の両端間の電圧ＶＢを利用した、燃料電池システム１０の第二ステージの別な実施形態をさらに詳細に示している。図５Ｃに示されている実施形態は第二ステージを形成する調整回路（図１−４）と共に燃料電池システム１０に実装してもよく、または第一ステージの調整回路なしで独立して使用されてもよい。
【００５４】
図５Ｃの実施形態では、バッテリ状態センサはバッテリ２４の両端間の電圧ＶＢを検出する電圧センサ２６ｃの形態をとっている。コントローラ２８はフィールド・コントローラ９０ｃの形態をとっている。フィールド・コントローラは自動車系統、並びにその他の電気系統に一般的に見られるものである。フィールド・コントローラ９０ｃは燃料電池スタック１４への反応物質の分圧を制御するため、アクチュエータ３０に出力ＣＶ１を供給する。
【００５５】
図６Ｃは図５Ｃの燃料電池システム１０の動作方法４００を示している。ステップ４０２で、電圧センサ２６ｃはバッテリ２４の両端間の電圧ＶＢを判定する。ステップ４０４で、フィールド・コントローラ９０ｃはバッテリ電圧ＶＢの所望のバッテリ電圧からの偏差量を判定する。ステップ４０６で、コントローラ２８は所望のバッテリ電圧を保持するために、燃料電池スタック１４への燃料の流れの分圧を調整する。ステップ４０８で、コントローラ２８は所望のバッテリ電圧を保持するために、燃料電池スタック１４へのオキシダントの流れの分圧を調整する。前述のとおり、燃料電池システム１０は燃料および／またはオキシダントの分圧を調整するため、１つ以上のバルブ、コンプレッサ、ポンプおよび／または調整手段を使用してもよい。
【００５６】
図７は異なる５つの反応物質の分圧に対応する、燃料電池スタック１４用の分極曲線の例を示している。スタック電圧ＶＳは縦軸に沿って示され、スタック電流ＩＳは横軸に沿って示されている。第一の曲線５９は反応物質の分圧が低い場合の分極を示している。曲線６１、６２、６３、および６５は反応物資の分圧が連続的に上昇する際の分極を示している。破線６９は２４ボルトの一定の公称出力電圧を示している。縦の破線７１、７２３、７５、７７、７９はそれぞれの分圧曲線５９，６１，６３，６５，６７での電圧出力に対応するスタック電流を示している。
（バッテリ部分／燃料電池部分と相互接続された燃料電池システムの実施形態）
図８はバッテリ２４の一部が燃料電池スタック１４の一部と相互接続された燃料電池システム１０のさらに別の実施形態を示している。
【００５７】
具体的には、燃料電池スタック１４は各群の、または各部分のバッテリ２４ａ、２４ｂ、…２４ｎと相互接続された幾つかの群、または部分１４ａ、１４ｂ、…１４ｎを含むことができる。各燃料電池のセット１４ａ、１４ｂ、…１４ｎに１つのバッテリ電池２４ａ、２４ｂ、…２４ｎとして示されているが、燃料電池システム１０はその他の比率のバッテリ電池と燃料電池とを使用することができる。
【００５８】
燃料電池システム１０は負荷１２の両端間に電気的に並列に結合されたスーパーコンデンサ１４０のようなコンデンサを含むことができる。図８の燃料電池システム１０は図４および図６Ａの方法１００および２００に従って動作できる。
【００５９】
図８には図示されていないが、バルブ１８、コントローラ２８および／またはアクチュエータ３０のような別個の制御素子を燃料電池のセット１４ａ、１４ｂ、．．．１４ｎのそれぞれ１つに連結することができる。
（燃料電池システムおよび負荷の電流、電圧、および抵抗）
図９Ａ−９Ｆは、バッテリの排流または再充電なしで燃料電池スタックが負荷に対して充分に給電している場合の、単相ＡＣ動作における燃料電池システムのさまざまな電流、電圧、および抵抗の関係を示した一連のグラフである。図９Ａ−９Ｆのさまざまなグラフは共通の水平の時間軸を共用している。
【００６０】
図９Ａは時間の関数としての実際のスタック電流ＩＳと平均スタック電流ＩＳ−ＡＶＧを示したグラフ１５０である。図９Ｂは時間の関数としての実際のバッテリ電流ＩＢを示したグラフ１５２である。図９Ｃは時間の関数としての実際のバッテリ電圧ＶＢと平均バッテリ電圧ＶＢ−ＡＶＧを示したグラフ１５４である。図９Ｄは時間の関数としての負荷を導通する実際の電流ＩＬと平均負荷電流ＩＬ−ＡＶＧを示したグラフ１５６である。図９Ｅは時間の関数としての実際の負荷抵抗ＲＬを示したグラフ１５８である。図９Ｆは時間の関数としての負荷１２の両端間のＡＣ電圧Ｖａｃを示したグラフ１６０である。
【００６１】
図１０Ａ−１０Ｃは、燃料電池スタックからの不足分をカバーするためにバッテリが負荷に電流を供給し、その後バッテリを再充電する、単相ＡＣ動作における燃料電池システムのさまざまな電流、電圧、および抵抗の関係を示した一連のグラフである。図１０Ａ−１０Ｃのさまざまなグラフは共通の水平の時間軸を共用している。
【００６２】
図１０Ａは時間の関数としてのスタック電流ＩＳを示したグラフ１６２である。図１０Ｂは時間の関数としてのバッテリ電流ＩＢを示したグラフ１６４である。図１０Ｃは時間の関数としての負荷電流ＩＬを示したグラフ１６６である。図１０Ａ−１０Ｃから分かるように、負荷１２の需要が増大すると、バッテリ２４は燃料電池スタック１４からの不足分を補うために電流を供給する。負荷１２の需要が低減すると、燃料電池スタック１４はバッテリ２４が浮動電圧に戻るまでバッテリ２４を再充電する。
（複合燃料電池システムのコンポーネント・ブロックとしての燃料電池システム）
図１１は負荷１２に所望の電圧と電流で給電するため、電気的に結合された複合燃料電池システム１０ｇを形成する幾つかの燃料電池システム１０ａ−１０ｆを示している。燃料電池システム１０ａ−１０ｆは前述のように、例えば図１および２に示された燃料電池システム１０のような任意の燃料電池システム１０の形態をとることができる。
【００６３】
複合燃料電池システム１０は燃料電池スタック１４とそれぞれのバッテリ２４との間の分極曲線の整合を利用している。分極曲線の整合を達成するための１つのアプローチは、上記に一般的に説明した第一ステージの調整方式を含んでいる。別のアプローチはバッテリ２４の両端間の電圧の、バッテリ２４の両端間の所望の電圧からの偏差に基づいて単数または複数の反応物質の流れの分圧をコントロールすることを含んでいる。さらに別のアプローチは、バッテリ充電量の、所望のバッテリ充電からの偏差に基づいて単数または複数の反応物質の流れの分圧をコントロールすることを含んでいる。バッテリ充電はバッテリ２４からの、またはバッテリ２４への電荷の流れを積分することによって判定できる。別のアプローチには、位相、またはパルス切換え調整または制御方式が含まれる。
【００６４】
一例として、各燃料電池システム１０ａ−１０ｆは２４Ｖで５０Ａの電流を供給する能力がある。第一対の燃料電池システム１０ａ、１０ｂを電気的に直列に結合すると４８Ｖで５０Ａが供給される。同様に、第二対の燃料電池システム１０ｃ、１０ｄを電気的に直列に結合すると４８Ｖで５０Ａが供給される。これらの２対の燃料電池システム１０ａ、１０ｂ、および１０ｃ、１０ｄを電気的に直列に結合すると４８Ｖで１００Ａが供給される。第三対の燃料電池システム１０ｅ、１０ｆを電気的に直列に結合すると４８Ｖで５０Ａが供給される。第三対の燃料電池システム１０ｅ、１０ｆを第一対の燃料電池システム１０ａ、１０ｂおよび第二対の燃料電池システム１０ｃ、１０ｄと電気的に並列に結合すると４８Ｖで１５０Ａが供給される。
【００６５】
図１１は可能な構成を１つだけ示している。所望の電圧および電流を達成するためにほかの構成も可能であることを当業者は理解するであろう。複合燃料電池システム１０ｇは図１１に示したよりも少数の、または多数の燃料電池システム１０ａ−１０ｆを含んでいてもよい。その他の所望の電圧および電流で電力を供給するために、個々の燃料電池システム１０のその他の数の電気的結合の組合せを利用できる。例えば、１つ以上の追加の燃料電池システム（図示せず）を１つ以上の燃料電池システム１０ａ−１０ｂと電気的に並列に結合することができる。加えて、または補足的に、１つ以上の追加の燃料電池システム（図示せず）を図示したいずれかの対の燃料電池システム１０ａ：１０ｂ、１０ｃ：１０ｄ、１０ｅ：１０ｆと電気的に直列に結合することができる。さらに、燃料電池システム１０ａ−１０ｆは異なる電圧および／または電流定格を有していてもよい。個々の燃料電池システム１０ａ−１０ｆを複合して、“ｎ＋１”のアレイを作成し、所望量の冗長度および高い信頼性を得ることができる。
（電力供給システム）
図１１はまとめて１０で示されている、燃料電池システムの一次元アレイ５５２を含む電力供給システム５５０の一実施形態を示しており、これは負荷１２に電力を供給するための電力バス５５６を形成する正と負の電圧レール５５６ａ、５５６ｂにそれぞれ電気的に直列に結合可能である。まとめて５５８で示されているそれぞれのダイオードは、各燃料電池システム１０の正と負の出力の間に電気的に結合されている。図示されている電力供給システム５５０は個々に１０（１）−１０（Ｍ＋１）で示されているＭ＋１個の燃料電池システムを含んでおり、カッコ内の数字はアレイ１０内の燃料電池システム１０の位置を示している。図１１の楕円は電力供給システム５５０が第三の燃料電池システム１０（３）とＭ番目の燃料電池システム１０（Ｍ）との間に追加の燃料電池システム（明示的には図示せず）を含んでいてもよいことを示している。１つ以上の燃料電池システム（例えば１０（Ｍ＋１））は例えば、他の燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ）の１つが故障したり、負荷１２が追加の電力または電圧を要求した場合に必要である、電力バス５５６に電気的に直列に結合された“冗長”燃料電池システムとして機能できる。
【００６６】
電力供給システム５５０は、欠陥または故障の場合にそれぞれの燃料電池システム１０を自動的に遮断できる接触器またはトランジスタ５６０のような１つ以上の故障時スイッチを使用してもよい。例えば、故障時トランジスタ５６０は燃料電池システム１０自体の動作状態の欠陥、または故障時、または電力供給システム５５０の動作状態の欠陥、または故障時に開くことができる。
【００６７】
電力供給システム５５０は、燃料電池システム１０（Ｍ＋１）自体の動作状態以外の状態に基づいて、それぞれの燃料電池システム１０（Ｍ＋１）を手動的、または自動的に電力バス５５６に電気的に結合できる接触器またはトランジスタ５６２のような１つ以上の冗長スイッチを使用してもよい。例えば、別の燃料電池システム１０が故障の場合、負荷１２への電力、電圧、および電流を保持するために、冗長トランジスタ５６２が閉じて、冗長燃料電池システム１０（Ｍ＋１）を電力バス５５６に電気的に結合できる。さらに例えば、より高い出力電力が望ましい場合は、負荷１２への電力、電圧、および電流を調整するために、冗長トランジスタ５６２が閉じて、冗長燃料電池システム１０（Ｍ＋１）を電力バス５５６に電気的に結合できる。
【００６８】
手動動作も可能であるが、電力供給システム５５０は冗長スイッチ（例えばトランジスタ５６２）も動作を自動的に制御するために制御論理５６４を含んでいてもよい。
【００６９】
制御論理５６４はそれぞれの燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ＋１）の動作状態に関する入力（すなわち“ユニット１からＭの故障時に接続”）を１つ以上の他の燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ）から受けることができる。例えば、制御論理５６４は燃料電池システム１０の燃料電池スタック１４および／または蓄電池２４に関する電圧、電流、および／または電力の測定値を受けることができる。このような測定値は、それらに限定されるものではないが、スタック電流ＩＳ、スタック電圧ＶＩＳ、および／または温度を含んでいてもよい。さらに例えば、制御論理５６４は、それらに限定されるものではないが、周囲の水素レベル、周囲のオキシダント・レベル、および反応物質の流れを含む燃料電池システム１０のさまざまな系統の動作状態に関する論理値を受けることができる。これに関しては、共通の出願人に譲渡されている、２００１年６月２５日に出願された米国特許出願第０９／９１６、２４０号“燃料電池システムの方法、装置、およびスケジューリング”（代理人整理番号第１３０１０９．４０９号）を参照されたい。
【００７０】
それに加えて、またはその代わりに、制御論理５６４は、電力バス５５６のさまざまなポイントで電圧または電流を判定するために結合された電圧センサおよび電流センサのような電力供給システム５５０のその他のコンポーネントから入力を受けることができる。例えば、制御論理５６４は一次元アレイ５５２の“上部”で測定された電力バスの両端間の電圧に対応する電圧の測定値を受けることができ、それによって制御論理５６４は予測閾値未満の測定値を検出することによって（すなわち、ＶＸ＜Ｍ×２４Ｖ”の場合接続する）、１つ以上の燃料電池システム１０の故障を間接的に検知することができる。故障状態を検知するための閾値は制御論理５６４内であらかじめ規定してもよく、または専用、または汎用コンピュータのアナログまたはデジタル制御、またはグラフィック・ユーザー・インターフェース５６６のようなユーザー・インターフェースを介してユーザーまたはオペレータによって設定されてもよい。
【００７１】
それに加えて、またはその代わりに、制御論理５６４はユーザー・インターフェース５６６を介してユーザーまたはオペレータからの入力を受けることができ、それには電力、電圧、および／または電流の閾値のような動作パラメータを設定し、また所望の電力、所望の電圧、または所望の電流の公称値のような所望のパラメータを設定し、電気的な構成情報を供給し、および／または制御論理５６４の自動動作の側面を乗り越えるためのユーザー制御のセットが含まれる。ユーザー・インターフェース５６６は電力供給システム５５０の残りの部分から離れていてもよい。制御論理５６４は配線で接続された回路、ファームウエア、マイクロコントローラ、特定アプリケーション用プロセッサ、プログラムされた汎用プロセッサ、および／またはコンピュータによる読み出し可能な媒体への命令の１つ、または複数で実施できる。
【００７２】
前述の第一ステージおよび／または第二ステージでの動作のように、燃料電池システム１０の出力電圧を厳密に制御できる場合は、燃料電池システム１０の直列の結合が可能である。このように、個々の燃料電池システム１０の任意の整数倍の電圧出力を実現するために、所望の任意の数の燃料電池システム１０を電気的に直列に結合できる。例えば、各燃料電池システム１０がレール１９ａ、１９ｂの両端間に２４ボルトを生成すると、３つの燃料電池システム１０（１）−１０（３）を電気的に結合して７２ボルトを生成することができる。より一般的に述べると、燃料電池システム１０の数Ｍは電気的に直列に結合して電力バス５５６の両端間に燃料電池システムの公称電圧のＭ倍の電圧を生成できる。加えて、直列結合によって一次元アレイ５５２内の冗長燃料電池システム１０（Ｍ＋１）の位置は重要ではなくなる。
【００７３】
図１２は電力バス５５６を経て負荷１２に給電するための、Ｍの数の行とＮの数の列に配列された燃料電池システム１０の二次元アレイ５６８を示している。燃料電池システム１０は個々に１０（１、１）−１０（Ｍ、Ｎ）で示され、カッコ内の最初の数字は行の位置を示し、カッコ内の二番目の数字は燃料電池システム１０の列の位置を示している。図１２の楕円は二次元アレイ５６８のさまざまな行と列とが追加の燃料電池システム（明示的には図示せず）を含んでもよいことを示している。ダイオード５５８、それぞれ故障時および冗長スイッチ５６０、５６２、制御論理５６４、およびユーザー・インターフェース５６６は図面を明解にするために省略されている。
【００７４】
各燃料電池システム１０（１，１）−１０（Ｍ、Ｎ）は個々に電力バス５５６に結合されてさまざまな所望の出力電力を供給することができる。各列１−Ｍの燃料電池システム１０（１−Ｍ、１）、１０（１−Ｍ、２）、１０（１−Ｍ、３）−１０（１−Ｍ、Ｎ）は互いに電気的に直列に結合可能である。各行１−Ｎの燃料電池システム１０（１、１−Ｎ）、１０（２、１−Ｎ）、１０（３、１−Ｎ）−１０（Ｍ、１−Ｎ）は互いに電気的に並列に結合可能である。図１２およびこの説明から、出力電圧の調整により電力供給システム５５０の出力電力を調整するために、二次元アレイ５６８によって燃料電池システム１０の直列結合が可能になることが当業者には理解されよう。さらに、出力電流の調整により電力供給システム５５０の出力電力を調整するために、二次元アレイ５６８によって燃料電池システム１０の並列結合が可能になることが当業者には理解されよう。さらに、出力電流と出力電圧の双方の調整により電力供給システム５５０の出力電力を調整するために、二次元アレイ５６８によって燃料電池システム１０の直列および並列結合が可能になることが当業者には理解されよう。このように、各燃料電池システムが例えば２４ボルトおよび４０アンペアで１Ｋｗを生成するような図示した時では、Ｎ×ＮｋＷの最高出力電力が可能である。さらに、ここに記載している一次元および二次元アレイ構造は電気的に結合可能な相互位置を示すものであり、燃料電池システム１０が必ずしも行および／または列に物理的に配列される必要はないことが当業者には理解されよう。
（実施例）
図１３−１５は各燃料電池システム１０が２４ボルトおよび４０アンペアで１Ｋｗを生成可能である場合の、所望の出力電力、例えば４ｋＷを生成するための、図１２の二次元アレイ５６８の燃料電池システム１０の異なる３つの電気的構成を示している。具体的には、図１３は電気的に直列に結合されて９６ボルトおよび４０アンペアで４Ｋｗを供給する、第一列の二次元アレイ５６８から４つの燃料電池システム１０（１、１）−１０（４、１）を使用した一実施例を示している。図１４は電気的に並列に結合されて２４ボルトおよび１６０アンペアで４Ｋｗを供給する、第一行の二次元アレイ５６８の４つの燃料電池システム１０（１、１）−１０（１、４）を使用した一実施例を示している。図１５は電気的に直列に結合された２対の燃料電池システム１０（１、１）、１０（２、１）および１０（１、２）、１０（２、２）が電気的に並列に結合されて４８ボルトおよび８０アンペアで４Ｋｗを供給する、二次元アレイ５６８の４つの燃料電池システム１０（１、１）、１０（１、２）、１０（２、１）、１０（２、２）、を使用した一実施例を示している。これらの教示内容から二次元アレイ５６８の燃料電池システム１０のその他の組み合わせおよび縦列が可能であることが当業者には理解されよう。
（電力供給システムの動作）
図１６は図１１を参照して説明された一実施形態による電力供給システム５５０の動作方法６００を示している。この方法６００は上記の制御論理５６４内で実施される。
【００７５】
ステップ６０２で、制御論理５６４はスイッチ５６０，５６２のうちの適宜の１つを選択的に作動させることによって、Ｍ個の燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ）を電力バス５６６上で電気的に直列に結合する。ステップ６０４で、制御論理５６４は故障があるか否かを判定する。例えば、制御論理５６４は燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ）の１つのいずれかのパラメータが許容範囲外にあるか否か、または許容できる閾値を超えるか、それ以下に降下しているか否かを判定する。前述のように、制御論理５６４は燃料電池システム１０の燃料電池スタック１４および／または蓄電池２４に関する電圧、電流および／または電力の測定値を受けることができる。それに加えて、あるいはその代わりに、制御論理５６４は燃料電池システム１０のさまざまなシステムも動作状態に関する論理値を受けることができる。それに加えて、またはその代わりに、制御論理５６４は電力バス５５６上のさまざまなポイントでの電圧または電流を判定するために結合された電圧センサまたは電流センサのような、電力供給システム５５０のその他のコンポーネントからの入力を受けることができる。制御論理５６４は、受信した数値を例えば規定範囲および／または閾値と比較するための比較器のような比較回路、または命令を含むことができ、電力バス５５６の両端間の総電圧が規定の閾値以上であり、または規定範囲内であることが確実にされる。その代わりに，またはそれに加えて制御論理５６４は、それぞれの燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ）の１つ以上の動作状態に対応する“１”または“０”のような個々の燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ）から戻された論理値のセットに依拠することができる。
【００７６】
故障がない場合は、方法６００はステップ６０４に戻り、モニタ・ループを実行する。故障がある場合は、制御論理５６４はステップ６０６で、例えば対応する冗長スイッチに適宜の信号を送ることによって、例えば冗長トランジスタ５６２のゲートに信号を印加することによって、冗長燃料電池システム１０（Ｍ＋１）を電力バス５５６上で電気的に直列に結合する。燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ＋１）は“ホット・スワップ可能”であるので、電力供給システム５５０は遮断される必要がない。
【００７７】
動作ステップ６０８で、制御論理５６４は例えば対応する故障時スイッチに適宜の信号を送ることによって、例えば故障時トランジスタ５６０のゲートに信号を印加することによって故障の燃料電池システム、例えば１０（３）を電力バス５５６から電気的に分断する。動作ステップ６１０で、ユーザーまたはサービス技術者は電力供給システム５５０のアレイ５５２内の故障した燃料電池システム１０（３）を交換する。交換用燃料電池システム１０は別の燃料電池システム１０が場合によって故障した場合に備えて冗長燃料電池システムとしての役割を果たす。
【００７８】
図１７は方法６００に含められるオプションのステップ６１２を示している。ステップ６１２で、付加的な燃料電池システム１０が電力バス５５０上で１つ以上の燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ）と電気的に直列に結合される。例えば、故障の燃料電池システム１０（３）が交換された後、電力供給システム５５０の電力出力を増大させるために、交換用燃料電池システムを電気的に直列に結合してもよい。
【００７９】
図１８は方法６００に含められるオプションのステップ６１４を示している。ステップ６１４で、付加的な燃料電池システム１０が電力バス５５２上で１つ以上の燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ）と電気的に並列に結合される。この説明から、方法６００はね１０のさまざまな直列および／または並列の組合せのいずれを利用してもよいことが当業者には理解されよう。
【００８０】
図１９は図１２の二次元アレイ５６８を参照して説明した追加の、または代替の図示した実施形態による電力供給システム５５０の動作方法６３０を示している。このように、電力供給システム５５０は方法６００に加えて、またはその代わりに方法６３０を用いてもよい。
【００８１】
ステップ６３２で、制御論理５６４は電力供給システム５５０からの所望の電力、電圧、および電流出力の少なくとも１つを判定する。所望値は制御論理５６４で規定されてもよく、または制御論理５６４がユーザー・インターフェース５６６を介してユーザーまたはオペレータから所望値（単数または複数）を受けてもよい。ステップ６３４で、制御論理５６４は所望の電力、電圧および／または電流を供給するために、幾つかの燃料電池システム１０（１、１）−１０（Ｍ、Ｎ）の直列および／または並列の組合せの電気的構成を決定する。ステップ６３６で、制御論理５６４はトランジスタ５６０のような幾つかの冗長スイッチ（図１１には１つだけを示す）を作動させて、それぞれ１つの燃料電池システム１０（１、１）−１０（Ｍ、Ｎ）を決定された電気的構成へと電気的に結合する。
（結論）
これまでの説明で、任意の数の燃料電池システム５０を電気的に直列および／または並列に結合して、負荷１２に所望の電圧と電流で給電するための複合電力供給システム５５０を形成できることが示されている。
【００８２】
燃料電池システム１０は例えば図１に示された燃料電池システム１０のような前述の任意の燃料電池システムの形態をとることができる。前述のように、電力供給システム５５０は燃料電池システムの直列の結合が可能になるように燃料電池スタック１４とそれぞれの蓄電池２４との分極曲線の整合を利用している。分極曲線の整合を達成するアプローチの１つは一般的には前述した第一ステージの調整方式が含まれる。別のアプローチにはバッテリ２４のような蓄電素子の両端間の電圧の、蓄電素子２４の両端間の所望の電圧からの偏差に基づいて、１つ以上の反応物質の流れの分圧を制御することが含まれる。さらに別のアプローチには、蓄積充電量の、所望の蓄積充電量からの偏差に基づいて１つ以上の反応物質の流れの分圧を制御することが含まれる。蓄積充電量は蓄電池２４への、およびそこからの電荷の流れを積分することによって判定できる。他のアプローチは位相またはパルス切換え調整または制御方式が含まれる。直列構造を利用する理由には、コスト上の利点、およびスタック電圧がそのポイントでバッテリの浮動電圧に等しければ、出力電力のフルポイントで最高の効率が得られる構造であることが含まれ、例えば、効率は２４ＶシステムでＲ．Ｆノイズの問題なく９７％を超えることができる。燃料電池システム１０は２ステージを有するものとして説明されているが、電力供給システム５５０は実施形態によっては第一ステージ、または第二ステージのいずれかの単一のステージだけを有する１つ以上の燃料電池システム１０を組入れてもよい。
【００８３】
開示されている実施形態は電力供給システムへの“構成ブロック“または”コンポーネント”のアプローチを提案し、メーカーがわずかな、またはそれどころか単一の基本タイプの燃料電池システム１０からでも多様な電力供給システム５５０を製造できるようにするものである。このアプローチは設計、製造、および在庫コストが低く、また結果として生じるユーザー完成品（すなわち電力供給システム）の故障までの平均時間を延ばす冗長度をもたらすことができる。このアプローチはさらに、保守または修理を簡単にし、そのコストを低減できる。
【００８４】
ここに燃料電池システムおよび方法の特定の実施例を説明目的で記載してきたが、関連分野の当業者には理解されるように、本発明の趣旨と範囲を逸脱することなく、さまざまな等価の修正が可能である。例えば、ここに提示されている教示内容は必ずしも一般的に前述したポリマー交換膜燃料電池アセンブリではなくても、他の種類の燃料電池スタックまたは燃料電池アセンブリを含む燃料電池システムにも応用できる。それに加えて、またはそれに代わって、燃料電池システム１０は燃料電池スタック１４の一部をバッテリＢ１、Ｂ２の一部と相互に接続することができる。燃料電池システムは反応物質の分圧を調整するための他のさまざまなアプローチおよび要素を採用できる。上記のさまざまな実施形態を組合わせてさらに別の実施形態を提供することができる。
【００８５】
２００１年１２月１４日に出願された、名称が“ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＴ  ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ  ＶＯＬＴＡＧＥ  ＦＲＯＭ  ＡＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＳＹＳＴＥＭ”（燃料電池システムからの電圧を制御する方法および装置）である米国特許出願第１０／０１７４７０号（代理人整理番号第１３０１０９．４３６号）、２００１年１２月１４日に出願された、名称が“ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＭＯＤＥ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＯＦ    ＶＯＬＴＡＧＥ  ＦＲＯＭ  Ａ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＳＹＳＴＥＭ”（燃料電池システムからの電圧を多重モードで制御する方法および装置）である米国特許出願第１０／０１７４６２号（代理人整理番号第１３０１０９．４４２号）、２００１年１２月１４日に出願された、名称が“ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＳＹＳＴＥＭ  ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＳＴＡＧＥ    ＶＯＬＴＡＧＥ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ”（燃料電池システムの多段電圧制御方法および装置）である米国特許出願第１０／０１７４６１号（代理人整理番号第１３０１０９．４４６号）、および名称が“ＡＤＪＵＳＴＡＢＬＥ  ＡＲＲＡＹ  ＯＦ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＩＮ  ＰＯＷＥＲ  ＳＵＰＰＬＹ”（電力供給における燃料電池システムの調整可能なアレイ）である米国特許出願第＿＿＿＿＿号（エクスプレス・メール番号第ＥＶ０６４９９０７０５ＵＳ号、代理人整理番号第１３０１０９．４４９号）がすべて参照により本明細書に組込まれている。本発明のさらに別の実施形態を提供するために、本発明の態様は必要があればさまざまな特許、出願、および刊行物のシステム、回路、および概念を利用するように修正できる。例えば付加的に、または代替として、燃料電池システム１０は米国特許出願第１０／０１７４７０号で教示されているように、バッテリ電圧ＶＢ、バッテリ２４への、またはバッテリからの電流の流れ、またはバッテリ充電量のいずれかの関数として反応物質の分圧を制御することができる。
【００８６】
上記の説明にかんがみて、これらの、またはその他の変更を実施できる。一般に、以下の請求項では用語は本発明を本明細書に開示した特定の実施形態に限定するものと解釈されるものではなく、請求項に基づいて動作するすべての燃料電池システムを含めるものと解釈されるべきものである。したがって、本発明は開示内容によって限定されるのではなく、その範囲は全体が以下の請求項によって決定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】図１は負荷に電力供給するための燃料電池システムの概略図であり、燃料電池システムは燃料電池スタックと、バッテリと、直列通過素子と、直列通過素子を通る電流の流れを調整するための調整回路を含む第一ステージと、本発明の図示した日本的な実施形態によって、反応物質の分圧を制御することによって直列通過素子により散逸されるエネルギを縮減するため、直列通過素子の両端間の電圧差を利用するコントローラを含む第二ステージとを有している。
【図２】図２は第二ステージと共に、または第二ステージなしで使用される調整回路を含む、図１の燃料電池システムの第一ステージの概略図である。
【図３】図３は第二ステージと共に、または第二ステージなしで使用される調整回路としてマイクロプロセッサを使用する燃料電池システムの第一ステージの代替実施形態である。
【図４】図４は図２および図３の燃料電池システムの第一ステージの動作方法の例の流れ図である。
【図５Ａ】図５Ａは第一ステージと共に、または第一ステージなしで使用される、所望値に対する直列通過素子の両端間の電圧の変化に基づいて反応物質の分圧を制御するための制御回路を含む、図１の燃料電池システムの第二ステージの電気的概略図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは第一ステージと共に、または第一ステージなしで使用される、バッテリ充電電流に基づいて反応物質の分圧を制御するための代替制御回路を示した、燃料電池システムの第二ステージの電気的概略図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは第一ステージと共に、または第一ステージなしで使用される、バッテリ電圧に基づいて反応物質の分圧を制御するための代替制御回路を示した、燃料電池システムの第二ステージの電気的概略図である。
【図６Ａ】図６Ａは図５Ａの燃料電池システムの第二ステージの動作方法の例の流れ図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは図５Ｂの燃料電池システムの第二ステージの動作方法の例の流れ図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは図５Ｃの燃料電池システムの第二ステージの動作方法の例の流れ図である。
【図７】図７は分圧の５例に関して、燃料電池スタック例の分極曲線のグラフ表示である。
【図８】図８は燃料電池スタックの一部がバッテリの一部に相互接続されている、図１の燃料電池システムの代替実施形態の概略図である。
【図９】図９Ａ−９Ｆは燃料電池スタックがバッテリの排流または再充電なしで負荷に充分に電力供給している、燃料電池システムのスタック電流、バッテリ電流、および負荷電流、バッテリ電圧およびバス電圧、および負荷抵抗に関する一連のグラフである。
【図１０】図１０Ａ−１０Ｃは燃料電池スタックから不足分を補うためにバッテリが負荷の電流を供給し、後に燃料電池スタックがバッテリを再充電する、燃料電池システム用のスタック電流、バッテリ電流、および負荷電流の時間経過を経た一連のグラフである。
【図１１】図１１は所望の電圧および所望の電流で負荷に電力を供給するために電気的に直列に結合可能な燃料電池システムの一次元アレイを形成する幾つかの個別燃料電池システムを含む、負荷に電力を供給する電力供給システムの概略図である。
【図１２】図１２はさまざまな直列および並列の組合せで電気的に結合可能な燃料電池システムの二次元アレイを形成する幾つかの燃料電池システムを含む、電力供給システムの概略図である。
【図１３】図１３は第一の出力電圧および第一の出力電流で所望の出力電力を供給するために電気的に直列に結合された、図１２の幾つかの燃料電池システムを示した概略図である。
【図１４】図１４は第二の出力電圧および第二の出力電流で所望の出力電力を供給するために電気的に並列に結合された、図１２の幾つかの燃料電池システムを示した概略図である。
【図１５】図１５は第三の出力電圧および第三の出力電流で所望の出力電力を供給するために電気的に直列に結合された、図１２の幾つかの燃料電池システムを示した概略図である。
【図１６】図１６は故障の燃料電池システムを冗長燃料電池システムで置き換えることを含む、一実施形態による図１１および１２の電力供給システムの動作方法の流れ図である。
【図１７】図１７は図１６の方法に組み込むための動作ステップの流れ図である。
【図１８】図１８は図１６の方法を組み込むための動作ステップの流れ図である。
【図１９】図１９は所望の電力、電圧、および電流出力を生成するために、幾つかの燃料電池システムを決定された直列および／または並列の組合せで電気的に結合することを含む、付加的な、または代替の実施例による、図１１および１２の電力供給システムの動作方法の流れ図である。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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