(57)【要約】【課題】  燃料電池スタック（３２）を通って流れる反応体供給流れ（８６）の成分のλを監視するためのセンサ（１１６）を提供する。【解決手段】  センサ（１１６）は、燃料電池（９４）を通って流れる反応体供給流れ（８６）の特定の成分のλの変化を感知する一つ又はそれ以上の燃料電池（９４）を含む。燃料電池（９４）感度により、特定の成分のλによって電圧を発生させる。電圧出力の変化はモデル化でき、及び／又は経験的データとの比較により電圧出力を特定の成分のλと相関させることができる。特定の成分のλに基づいて燃料電池スタック（３２）の作動を最適化できる。
2005524216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応体流を受け入れて電流を発生する燃料電池アッセンブリにおいて、
スタック形体で配置された電気的に直列の複数の燃料電池であって、これらの複数の燃料電池のうちの第１燃料電池の電圧出力が第１反応体流のλの変化に応じて周知の態様で変化する、複数の燃料電池と、
前記第１燃料電池の前記電圧出力を監視する電圧監視装置と、
前記電圧監視装置から前記第１燃料電池の前記電圧出力と対応する信号を受け取り、この信号に応じて前記第１反応体流を制御する制御装置とを含む、燃料電池アッセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池アッセンブリにおいて、前記制御装置は、前記第１燃料電池の前記電圧出力を記憶された電圧出力のライブラリーと比較し、この比較に応じて前記第１反応体流を調節するマイクロプロセッサを含む、燃料電池アッセンブリ。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池アッセンブリにおいて、前記ライブラリーは、前記燃料電池スタックの様々な作動状態についての期待電圧出力及び前記第１反応体流のλのコンパイルである、燃料電池アッセンブリ。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池アッセンブリにおいて、第２反応体流のλの変化に応じて周知の態様で変化する第２電圧出力を持つ、前記複数の燃料電池のうちの第２燃料電池を更に含み、前記電圧監視装置は、前記第２燃料電池の前記第２電圧出力を監視する、燃料電池アッセンブリ。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池アッセンブリにおいて、前記第１反応体流は燃料流であり、前記第２反応体流は酸化体流である、燃料電池アッセンブリ。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池アッセンブリにおいて、第１前記反応体流は燃料流である、燃料電池アッセンブリ。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池アッセンブリにおいて、第１前記反応体流は酸化体流である、燃料電池アッセンブリ。
【請求項８】
請求項１に記載の燃料電池アッセンブリにおいて、前記第１燃料電池は、電圧出力が前記第１反応体流のλの変化に応じて周知の態様で変化する燃料電池のクラスタであり、前記電圧監視装置は前記燃料電池の前記クラスタの前記電圧出力を監視する、燃料電池アッセンブリ。
【請求項９】
請求項１に記載の燃料電池アッセンブリにおいて、前記第１燃料電池は、各々の電圧出力が前記第１反応体流のλの変化に応じて周知の態様で変化する複数の燃料電池であり、前記電圧監視装置は、前記電圧出力が前記周知の態様で変化する前記複数の燃料電池の各々の前記電圧出力を監視する、燃料電池アッセンブリ。
【請求項１０】
請求項１に記載の燃料電池アッセンブリにおいて、前記第１燃料電池は、電圧出力が前記第１反応体流の前記λの変化に応じて周知の態様で変化するように形成されている、燃料電池アッセンブリ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池アッセンブリにおいて、前記第１燃料電池の第１反応体流れチャンネルの抵抗は前記複数の燃料電池の第１反応体流れチャンネルよりも大きく、前記第１燃料電池の前記電圧出力は、前記第１反応体流のλの変化に対する感度が前記複数の燃料電池の電圧出力よりも高い、燃料電池アッセンブリ。
【請求項１２】
請求項１０に記載の燃料電池アッセンブリにおいて、前記第１燃料電池の第１反応体拡散媒体の抵抗は前記複数の燃料電池の第１反応体拡散媒体よりも大きく、前記第１燃料電池の前記電圧出力は、前記第１反応体流のλの変化に対する感度が前記複数の燃料電池の電圧出力よりも高い、燃料電池アッセンブリ。
【請求項１３】
請求項１０に記載の燃料電池アッセンブリにおいて、前記第１燃料電池の第１反応体一次電流コレクタの抵抗は、前記複数の燃料電池の第１反応体一次電流コレクタよりも大きく、前記第１燃料電池の前記電圧出力は、前記第１反応体流のλの変化に対する感度が前記複数の燃料電池の電圧出力よりも高い、燃料電池アッセンブリ。
【請求項１４】
請求項１０に記載の燃料電池アッセンブリにおいて、前記第１燃料電池のクーラント通路は、前記複数の燃料電池のクーラント通路よりも大きく、前記第１燃料電池は、前記スタックの溢れに対する感度が前記複数の燃料電池の電圧出力よりも高い、燃料電池アッセンブリ。
【請求項１５】
請求項１に記載の燃料電池アッセンブリにおいて、前記第１燃料電池は、前記複数の燃料電池の各燃料電池の、前記第１反応体流の前記λの変化に応じて所定の態様で変化する電圧出力についての試験に基づいて、前記複数の燃料電池から選択される、燃料電池アッセンブリ。
【請求項１６】
電気的に直列の複数の燃料電池を含む燃料電池スタックへの反応体供給流れのλの変化を監視する方法において、
第１反応体供給流れを燃料電池スタックに供給する工程と、
第２反応体供給流れを燃料電池スタックに供給する工程と、
電圧出力が前記第１反応体供給流れのλの変化に合わせて周知の態様で変化する前記燃料電池スタックの第１燃料電池を選択する工程と、
前記第１燃料電池の前記電圧出力を監視する工程と、
前記第１反応体供給流れを前記第１燃料電池の前記電圧出力に基づいて制御する工程とを含む、方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法において、前記監視工程は、前記第１燃料電池の前記電圧出力を記憶された電圧出力のライブラリーと比較する工程を含み、前記制御工程は、前記比較に基づいて第１反応体供給流れを調節する工程を含む、方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法において、前記ライブラリーは、前記燃料電池スタックの様々な作動状態についての期待電圧出力及び前記第１反応体供給流れの前記λの変化のコンパイルである、方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法において、前記期待電圧出力の前記コンパイルは前記第１燃料電池のモデル化に基づく、方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載の方法において、前記期待電圧出力の前記コンパイルは前記第１燃料電池の試験に基づく、方法。
【請求項２１】
請求項１６に記載の方法において、電圧出力が前記第２反応体供給流れのλの変化に合わせて周知の態様で変化する前記燃料電池スタックの第２燃料電池を選択する工程と、
前記第２燃料電池の前記電圧出力を監視する工程と、
前記第２反応体供給流れを前記第２燃料電池の前記電圧出力に基づいて制御する工程とを更に含む、方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法において、前記第１反応体供給流れは燃料供給流れであり、前記第２反応体供給流れは酸化体供給流れである、方法。
【請求項２３】
請求項１６に記載の方法において、電圧出力が前記第１供給流れの前記λの変化に合わせて周知の態様で変化する前記燃料電池スタックの第２燃料電池を選択する工程と、
前記第２燃料電池の前記電圧出力を監視する工程と、
前記第１反応体供給流れを前記第１及び第２の燃料電池の前記電圧出力のうちの少なくとも一方に基づいて制御する工程とを更に含む、方法。
【請求項２４】
請求項１６に記載の方法において、電圧出力が前記第１供給流れのλの変化に合わせて周知の態様で変化する燃料電池スタックのクラスタを選択する工程と、
前記燃料電池のクラスタの前記電圧出力を監視する工程と、
前記第１反応体供給流れを前記燃料電池のクラスタの前記電圧出力に基づいて制御する工程とを更に含む、方法。
【請求項２５】
請求項１６に記載の方法において、前記第１反応体供給流れは燃料供給流れである、方法。
【請求項２６】
請求項１６に記載の方法において、前記第１反応体供給流れは酸化体供給流れである、方法。
【請求項２７】
請求項１６に記載の方法において、前記第１燃料電池を選択する前記工程は、燃料電池スタックを構成する前記複数の燃料電池の各燃料電池を試験し、前記第１反応体流の前記λの変化に応じた各電池の電圧出力の変化を決定する工程と、前記第１燃料電池を前記試験に基づいて選択する工程とを含む、方法。
【請求項２８】
請求項１６に記載の方法において、前記第１燃料電池を選択する前記工程は、電圧出力が前記第１反応体流の前記λの変化に合わせて周知の態様で変化するように前記第１燃料電池を形成する工程を含む、方法。
【請求項２９】
燃料電池スタックへの反応体供給流れのλをセンサで監視するための方法において、
（ａ）第１及び第２の反応体供給流れを燃料電池に供給する工程と、
（ｂ）前記第１及び第２の反応体供給流れから前記燃料電池で電圧出力を発生する工程と、
（ｃ）前記燃料電池の前記電圧出力を監視する工程と、
（ｄ）前記第１反応体供給流れのλを変化させる工程と、
（ｅ）前記第１反応体供給流れの前記λの変化に対する前記燃料電池の感度を決定する工程と、
（ｆ）前記燃料電池が前記第１反応体供給流れの前記λに対して所望の感度を持つ場合、前記燃料電池をセンサ燃料電池として選択する工程とを含む、方法。
【請求項３０】
請求項２９に記載の方法において、前記感度決定工程は、前記第１反応体供給流れの前記λの変化に応じた前記燃料電池の前記電圧出力の変化を計算する工程を含む、方法。
【請求項３１】
請求項３０に記載の方法において、前記選択工程は、前記燃料電池の前記電圧出力の前記変化を、前記第１反応体供給流れの前記λの同じ変化に応じた他の燃料電池の電圧出力の平均的変化と比較する工程を含む、方法。
【請求項３２】
請求項３１に記載の方法において、
工程（ｄ）及び（ｅ）を繰り返し実行することによって前記燃料電池の前記感度の経験的データを収集する工程を更に含む、方法。
【請求項３３】
請求項３２に記載の方法において、
前記燃料電池の作動状態を変更し、次いで工程（ｅ）及び（ｆ）を繰り返し実行し、前記燃料電池の前記作動状態についての前記燃料電池の前記感度の経験的データを収集する工程を更に含む、方法。
【請求項３４】
請求項３２に記載の方法において、
前記経験的データから基準電圧のライブラリーを発生し、前記第１反応体供給流れの前記λを監視するために前記第１燃料電池で使用する工程を更に含む、方法。
【請求項３５】
請求項３２に記載の方法において、
前記燃料電池の前記電圧出力を前記λの関数としてモデル化する等式を前記経験的データから発生する工程を更に含む、方法。
【請求項３６】
請求項２９に記載の方法において、
前記第１及び第２の反応体供給流れを燃料電池のクラスタに供給する工程と、
前記第１及び第２の反応体供給流れから前記燃料電池のクラスタで電圧出力を発生する工程と、
前記燃料電池のクラスタの前記電圧出力を監視する工程と、
前記第１反応体供給流れの前記λを変化させる工程と、
前記燃料電池の前記クラスタの感度を前記第１反応体供給流れの前記λの変化に合わせて決定する工程と、
燃料電池の前記クラスタが前記第１反応体供給流れの前記λに対して所望の感度特性を備えている場合、燃料電池の前記クラスタを燃料電池のセンサクラスタとして選択する工程とを更に含む、方法。
【請求項３７】
請求項２９に記載の方法において、
電気的に直列に配置された複数の燃料電池を含む燃料電池スタックに前記第１及び第２の反応体供給流れを供給する工程と、
前記第１及び第２の反応体供給流れから前記スタックの各燃料電池で電圧出力を発生する工程と、
前記スタックの各燃料電池の前記電圧出力を監視する工程と、
前記第１反応体供給流れの前記λを変化させる工程と、
前記スタックの各燃料電池の感度を前記第１反応体供給流れの前記λの変化に合わせて決定する工程と、
前記燃料電池スタックでの前記第１反応体供給流れの前記λに対して所望の感度特性を備えたセンサ燃料電池を選択する工程とを更に含む、方法。
【請求項３８】
請求項２９に記載の方法において、前記第１反応体供給流れは燃料供給流れである、方法。
【請求項３９】
請求項２９に記載の方法において、前記第１反応体供給流れは酸化体供給流れである、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムを通って流れる反応体供給流れ内の成分の計測及び制御に関する。更に詳細には、本発明は反応体供給流れの成分のλを計測し、燃料電池システムの性能及び効率を決定し、反応体供給流れを変更し、燃料電池システムの性能を最適化することに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、多くの用途で動力源として使用できる。例えば、燃料電池は、内燃エンジンの代わりに電気自動車のパワープラントで使用するため、及び幾つかの定置の動力源として提案されてきた。燃料電池は反応体供給流れを受け取り、供給流れ中のエネルギを電気に変換する。反応体供給流れは、燃料電池のアノード上を通過する燃料供給流れ及び燃料電池のカソード上を通過する酸化体供給流れを含み、電気を発生させる。
【０００３】
一つの種類の燃料電池は、陽子交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池では、貯蔵タンクからの純Ｈ2の形態の又は燃料プロセッサからの改質体流の形態の水素が燃料として燃料電池のアノードに供給され、貯蔵タンクからの純Ｏ2の形態の又は周囲又は貯蔵タンクからの空気（窒素Ｎ2と混合したＯ2）の形態のＯ2が燃料電池のカソードに酸化体として供給される。複数の個々の電池を互いに束にし、ＰＥＭ燃料電池スタックを形成する。燃料電池という用語は、代表的には、文脈に応じて、単一の電池又は複数の電池（スタック）のいずれかに関して使用される。スタック内の一群の電池をクラスタと呼ぶ。スタック内の多数の電池の代表的配置は、ゼネラル・モータース社に譲渡された米国特許第５，７６３，１１３号に記載されている。
[特許文献１]  米国特許第５，７６３，１１３号
【０００４】
車輛の用途について、アルコール（例えばメタノール又はエタノール）や炭化水素（例えばガソリン）等の液体燃料を燃料電池用の水素源として使用するのが望ましい。このような車輛用液体燃料は車輛内に容易に貯蔵でき、液体燃料を供給するためのインフラが国中に設けられている。しかしながら、このような燃料は、燃料電池に燃料を提供するため、解離により、含有する水素分を放出しなければならない。解離反応は、化学的燃料プロセッサ即ち改質器内で行われる。燃料プロセッサは一つ又はそれ以上の反応器を含む。反応器では、燃料を水蒸気と反応させ、及び場合によっては空気と反応させ、主にＨ2及びＣＯ2を含む改質体ガスを発生する。しかしながら、ＣＯ、Ｎ2、及びＨ2Ｏもまた、改質体ガスに含まれる。
【０００５】
燃料電池システムは、燃料及び酸化体供給流れの過剰の流量で作動し、供給されるエネルギが必要エネルギ量よりも多い。例えば、個々の燃料電池のアノード部分は、所与の負荷を発生するために必要なエネルギの約１３０％を必要とし、カソード部分は燃料流れの反応を完了するのに必要なＯ2の約２００％を必要とする。過剰の酸化体供給流れ及び燃料供給流れは、「λ」に関して計測される。ここで、必要な過剰Ｈ2の量をλAとし、必要な過剰Ｏ2の量をλCとする。上述の例では、過剰燃料供給流れλAは１．３であり、過剰酸化体供給流れλCは２．０である。このことは、アノードに提供される各１．３部毎に１．０部の水素が電気エネルギに変換され、残りの０．３部の水素は燃料電池スタックをアノード流出流として出ていくということを意味する。
【０００６】
燃料電池スタック内の各ＰＥＭ燃料電池は、燃料電池の効率を最大にするために特定のλC及びλAを必要とする。特定のλC及びλAは、同様の燃料電池の間で変化してしまう。複数の燃料電池を含む燃料電池スタックは、スタック内の個々の燃料電池間に違いがあるため、スタック全体についての平均λC及びλAを有する。燃料電池スタックについてひとたび平均λC及びλAが決定されると、燃料電池スタックの作動を最適化できるように、及びスタックが効率的に作動し続けるようにするために反応体供給流れに実時間変更を行うことができるように、燃料電池スタックを通って流れる燃料及び酸化体の供給流れを監視するためにセンサが必要とされる。
【０００７】
従って、燃料電池システムの効率的作動は、燃料電池スタックに提供されるＯ2及びＨ2の量を効果的に制御できる性質で決まる。燃料電池スタックに提供される反応体供給流れの量の計測に質量流量計を使用できる。しかしながら、質量流量計は、供給流れの特定の成分を計測することはできない。従って、供給流れの成分が変化すると、質量流量計は燃料電池スタックに提供されたＯ2及びＨ2の量を定量的に計測することができない。改質体燃料の必要条件が燃料電池に加えられる負荷の変化に従って変化する車輛の燃料電池システムの過渡的作動中、及び燃料プロセッサを出る改質体燃料の組成もまた変化する場合には、質量流量計を使用するのは特に困難である。
【０００８】
かくして、燃料電池スタックの効率を維持するが、更に複雑になったり燃料電池システムの重量を追加することがない、正確なλ感知システムが必要とされている。更に、非効率的なλA及びλCの値を実時間ベースで、使用者の介在なしに補正するλ感知システムが必要とされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、燃料電池システムを通って流れる燃料供給流れ及び酸化体供給流れを実時間監視し、制御するための方法及び装置に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の原理による燃料電池アッセンブリは、第１及び第２の反応体流れを受け取る燃料電池スタックを有する。反応体は、アノード面及びカソード面の側方を流れ、電気を発生する。燃料電池スタックは、積み重ね形体で配置された電気的に直列の複数の燃料電池を含む。これらの燃料電池のうちの少なくとも一つの電圧出力は、第１反応体流の成分のλの変化に応じて周知の態様で変化する。電圧監視装置が少なくとも一つの燃料電池の電圧出力を監視し、監視された電圧と対応する信号を制御装置に送出する。制御装置は、第１反応体流れを信号に応じて制御する。
【００１１】
電気的に直列の複数の燃料電池を含む燃料電池スタックに流れる反応体供給流れの成分のλの変化を監視する方法を開示する。本方法は、（１）第１反応体供給流れを燃料電池スタックに供給する工程、（２）第２反応体供給流れを燃料電池スタックに供給する工程、（３）電圧出力が前記第１反応体供給流れの成分のλの変化に合わせて周知の態様で変化する、前記燃料電池スタックの第１燃料電池を選択する工程（４）前記第１燃料電池の電圧出力を監視する工程、及び（５）前記第１反応体供給流れを前記第１燃料電池の前記電圧出力に基づいて制御する工程を含む。
【００１２】
本発明のこの他の適用領域は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明及び特定の例は本発明の好ましい実施例を示すものであるけれども、単に例示を目的としたものであって、本発明の範囲を限定しようとするものではないということは理解されるべきである。
【００１３】
本発明は、詳細な説明及び添付図面から更によく理解されるであろう。
【実施例】
【００１４】
好ましい実施例の以下の説明は、単なる例示であって、本発明、その用途、又は使用を限定しようとするものではない。
簡単に述べると、本発明は、燃料電池スタックを通って流れる反応体供給流の成分のλを監視するセンサを提供する。センサは、燃料電池を通って流れる反応体供給流の特定の成分のλの変化を感知する一つ又はそれ以上の燃料電池を含む。燃料電池の感度により、λ感知燃料電池が発生する電圧を特定の成分のλの変化に応じて変化させる。電圧出力の変化は、電圧出力を特定の成分のλと相関させるため、モデル化でき及び／又は経験的データと比較できる。特定の成分のλに基づいて、燃料電池スタックに流れる反応体供給流を調節することにより、燃料電池スタックの作動を最適化することができる。更に、燃料電池スタックが内部で作動するシステムの改質器や燃焼器等の他のハードウェア構成要素の性能を調節、最適化、及び／又は予想するため、特定の成分のλを使用することもできる。
【００１５】
本発明は、更に、一般的な燃料電池システムを参照すると更によく理解されるであろう。従って、本発明を更に詳細に説明する前に、本発明のλ感知燃料電池を含む燃料電池スタックが内部で作動できるシステムを概略に説明する。
【００１６】
燃料電池システムでは、炭化水素燃料を燃料プロセッサで例えば改質プロセスや部分酸化プロセスによって処理し、容積やモルに基づく水素含有量が比較的大きい改質ガスを発生する。従って、水素含有成分又は水素分が比較的多い成分を参照する。本発明を、水素含有改質体を燃料とする燃料電池に関して、改質体の発生方法に拘わらず、以下に説明する。ここで具体化された原理は、改質可能な炭化水素、及びメタノール、エタノール、ガソリン、アルカリ、又は他の脂肪族炭化水素又は芳香族炭化水素等の水素含有燃料を含む何らかの供給源から得られた水素を燃料とする燃料電池に適用できるということは理解されるべきである。
【００１７】
図１に示すように、燃料電池システム２０は、改質可能な炭化水素燃料流２４及び水流２６からの流れの形態の水とを触媒で反応させるための燃料プロセッサ２２を含む。幾つかの燃料プロセッサでは、組み合わせ部分酸化／流改質反応で空気が更に使用される。この場合には、燃料プロセッサ２２は、更に、空気流２８を受け取る。燃料プロセッサ２２は一つ又はそれ以上の反応器を含み、これらの反応器では、流れ２４の改質可能な炭化水素燃料を流れ２６の流れ及び流れ２８の空気の存在下で解離し、水素含有改質体を発生する。この改質体は燃料プロセッサ２２から改質体流３０の形態で排出される。燃料プロセッサ２２は、代表的には、水−ガスシフト（ＷＧＳ）及び／又は優先酸化（ＰＲＯＸ）反応器等の一つ又はそれ以上の下流反応器を更に含む。これらの反応器は、改質体流３０中の一酸化炭素レベルを受容可能なレベルまで、例えば２０ｐｐｍ以下に低下させるのに使用される。水素含有改質体３０は、燃料電池スタック３２のアノードチャンバを通して供給される。これと同時に、流れ３４内の空気の形態の酸素を燃料電池スタック３２のカソードチャンバに供給する。改質体流れ３０からの水素及び酸化体流れ３４からの酸素が燃料電池３２で反応し、電気を発生する。
【００１８】
燃料電池スタック３２のアノード側からのアノード排出物即ち流出流３６は、未反応水素を幾分含有する。燃料電池スタック３２のカソード側からのカソード排出物即ち流出流３８は、未反応酸素を幾分含有する。これらの未反応ガスには、システム２０内の様々な熱要求に対して燃焼器４０で回収できる熱エネルギの形態の追加のエネルギが含まれる。
【００１９】
詳細には、炭化水素燃料４２及び／又はアノード流出流３６を燃焼器４０で触媒作用で又は熱により、システムの作動条件に応じて流れ４４内の空気又はカソード流れ３８のいずれかから燃焼器４０に提供された酸素と燃焼できる。燃焼器４０は排気流れ４４を環境中に排出し、燃焼によって発生した熱を必要に応じて燃料プロセッサ２２に差し向けることができる。
【００２０】
次に図２を参照すると、ＰＥＭ燃料電池スタック３２が示してある。ＰＥＭ燃料電池スタック３２は、無孔質導電性双極プレート５２によって互いから間隔が隔てられた一対の膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）４８及び５０を有する。ＭＥＡ４８、５０は、カソード面４８ｃ、５０ｃ及びアノード面４８ａ、５０ａを各々有する。ＭＥＡ４８及び５０、及び双極プレート５２は、無孔質導電性液冷式双極プレート５４と５６との間に一緒に積み重ねられる。双極プレート５２、５４、及び５６は、燃料ガス及び酸化体ガス、この場合には水素（Ｈ2）及び酸素（Ｏ2）等の反応体をＭＥＡ４８及び５０の反応面に分配するため、プレートの面に複数の流れチャンネルが形成された流れ場５８、６０、６２を各々含む。非導電性ガスケット又はシール６６、６８、７０、及び７２は燃料電池スタックの幾つかのプレートの間にシール及び電気絶縁を提供する。多孔質ガス透過性導電性シート７４、７６、７８、及び８０がＭＥＡ４８及び５０の電極面に押し付けられ、電極用一次電流コレクタとして役立つ。一次電流コレクタ７４、７６、７８、及び８０は、更に、ＭＥＡ４８及び５０用の機械的支持体を、特にＭＥＡが流れ場でこれ以外では支持されていない場所で提供する。適当な一次電流コレクタは、電極から電流を伝達すると同時にガスを通すカーボン／グラファイトの紙／布、細メッシュ貴金属スクリーン、連続気泡貴金属フォーム、等を含む。
【００２１】
双極プレート５４及び５６は、ＭＥＡ４８のカソード面４８ｃの一次電流コレクタ７４及びＭＥＡ５０のアノード面５０ａの一次電流コレクタ８０に押し付けられ、この際、双極プレート５２は、ＭＥＡ４８のアノード面４８ａの一次電流コレクタ７６及びＭＥＡ５０のカソード面５０ｃの一次電流コレクタ７８に押し付けられる。酸素や空気等の酸化体ガスを、酸素供給流８２で適当な供給配管８４を介して燃料電池スタックのカソード側に供給する。同様に、水素の形態の燃料を、燃料供給流れ８６で適当な供給配管８８を介して燃料電池のアノード側に供給する。酸化体供給流れ８２は、様々な供給源から提供できる。例えば、酸化体供給流れ８２は貯蔵タンク（図示せず）から来てもよいし、周囲からの空気であってもよい。同様に、燃料供給流れ８６もまた、様々な供給源から提供できる。例えば、燃料供給流れ８６は、貯蔵タンク（図示せず）から来てもよいし、図１に示す燃料プロセッサ２２等の燃料プロセッサから来てもよい。アノード流れ場及びカソード流れ場の夫々からアノード流出流及びカソード流出流を除去するため、ＭＥＡの燃料側及び酸化体側の両方についての排出配管（図示せず）もまた設けられている。液体クーラントを双極プレート５４及び５６に必要に応じて供給し、排出するため、クーラント配管９０及び９２が設けられている。
【００２２】
次に、図３及び図４を参照すると、これらの図には本発明の原理による燃料電池スタック３２が示してある。燃料電池スタック３２は、図２に示すのと同様の個々の燃料電池９４を含む。各燃料電池は、一方の側にアノード面９６ａを備えており且つ反対側の面にカソード面９６ｃを備えた、ＭＥＡ４８及び５０と同様のＭＥＡ９６を有する。燃料電池９４の各々は、双極プレート５２、５４、及び５６と同様の一対の双極プレート９８間に配置されている。酸化体供給流れ８２をカソード９６ｃの側方でこのカソードと接触して流すため、カソード流チャンネル１００がカソード９６ｃの各々と隣接して設けられている。同様に、燃料供給流れ８６をアノード９６ａの側方でこのアノードと接触して流すため、アノード流チャンネル１０２がアノード９６ａの各々と隣接して設けられている。ＭＥＡ９６の膜は、好ましくは、ＰＥＭ燃料電池の技術で周知のように、ナフィオン（ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ）は登録商標である）等のペルフルオロネーテッドスルホン酸ポリマーを含む。個々の燃料電池９４の各々は、双極プレート９８によってスタック３２の次の電池９４から離間されている。双極プレートは、個々の燃料電池を互いから分離すると同時に電流を一つの電池から次の電池に直接伝達する。端プレート１０４及び１０６がスタック３２を終端し、スタック３２の末端電池１０８及び１１０に対してカソード流チャンネル及びアノード流チャンネルを夫々形成する。酸化体供給マニホールド８４が酸化体供給流れ８２を幾つかのカソード流チャンネル９６に供給する。同様に、燃料供給マニホールド８８が燃料供給流れ８６を幾つかのアノード流チャンネル１０２に供給する。スタック３２から排出するため、アノード流出流マニホールド１１２が幾つかのアノード流チャンネル１０２からアノード流出流（排気ガス）を集める。同様に、カソード流出流マニホールド１１４がカソード流チャンネル１００からカソード流出流（排気ガス）を集める。
【００２３】
反応体供給流れ８２及び８６は酸化体及び燃料を燃料電池スタック３２に提供し、この燃料電池スタックがこれから電気を発生する。添付図面に示す燃料電池スタック３２は、燃料として水素を使用し、酸化体として純Ｏ2又は空気を使用する。水素は純Ｈ2であってもよいし、改質体３０であってもよい。改質体流れ３０は、水素をＣＯ、ＣＯ2、Ｎ2、及びＨ2Ｏ等の他の成分とともに含む。効率的に作動させるため、スタック３２には過剰の酸化体及び燃料が提供され、この場合、供給されるエネルギは必要とされるエネルギの量よりも大きい。過剰の酸化体及び燃料は、「λ」に関して計測され、必要とされる過剰のＨ2の量をアノードλ「λA」と呼び、必要とされる過剰のＯ2の量をカソードλ「λC」と呼ぶ。λは、以下のように定義される。
【００２４】
【数１】
2005524216.tif 000003
ここで、Ｘは燃料電池スタック３２を通って流れる供給流れの成分である。
【００２５】
燃料電池９４の構造及び製造のばらつきにより、各燃料電池９４は、効率的に作動する上で必要とされるλA及びλCが異なる。このようなばらつきは様々な理由により発生する。例えば、ばらつきは、触媒装填、プレート寸法、不純物、及び拡散密度の変化等の製造誤差によって生じる。燃料電池９４を組み立ててスタック３２にするとき、スタック３２の必要λA及びλCは、スタック３２を構成する個々の燃料電池９４の必要λA及びλCの平均値である。各スタック３２についての必要λA及びλCは、スタック毎に異なる。更に、必要λA及びλCは、スタック３２に加えられる電気的負荷に従って変化する。燃料電池９４及び／又はスタック３２の可能な必要λA及びλCは、λA＝１．３であり、λC＝２．０である。λA＝１．３というのは、スタック３２がＨ2を１．０ｍｏｌ消費して電気を発生する毎に１．３ｍｏｌのＨ2をスタック３２に供給する必要があるということを意味する。同様に、λC＝２．０というのは、スタック３２がＯ2を１．０ｍｏｌ消費して電気を発生する毎に２．０ｍｏｌのＨ2をスタック３２に供給する必要があるということを意味する。スタック３２に供給された過剰のＨ2及びＯ2は、アノード流出流及びカソード流出流としてスタック３２から夫々排出される。
【００２６】
スタック３２に正しいλA及びλCを供給することは、電気を効率的に発生し、不必要な量のＨ2及びＯ2が排出されないようにし、酸化体を供給するコンプレッサーの過剰な作動又は改質体を供給する燃料プロセッサの過剰な作動等の不必要な寄生損をなくすことを含む多くの理由のため、重要である。スタック３２に正しいλA及びλCを供給するため、スタック３２の作動条件（電気的負荷、温度、及び圧力）が変化するとき、スタック３２の効率的作動を維持するように調節できるようにスタック３２に供給されるλA及びλCの量を監視する必要がある。スタック３２の一つ又はそれ以上の燃料電池９４の電圧出力を監視することによってλA及びλCの計測を行うことができる。即ち、燃料電池９４の電圧出力は、燃料電池９４に供給されたλA及びλCの量に従って変化する。以下に更に詳細に説明するように、燃料電池９４の電圧出力の変化を計測し、これを使用してスタック３２に供給されるλA及びλCの量を決定できる。
【００２７】
一つ又はそれ以上の燃料電池９４を使用して、スタック３２に供給されるλA及びλCを監視するのを容易にするため、個々の燃料電池９４の電圧出力を監視できる。図４に示すように、信号１１８を出力できる電圧検出装置１１６（例えば電圧計）によって個々の燃料電池９４の電圧出力を監視できる。信号１１８を調整してノイズをなくし、デジタルデータ流１２２を発生するため、信号１１８を従来の高速Ａ／Ｄコンバータ１２０（データ捕捉ユニット）に入力する。監視を受ける燃料電池９４の出力電圧を、好ましくは、燃料電池スタック３２の作動中、規則的（例えば１０ミリ秒乃至１０００ミリ秒毎）にサンプリングする。結果的に得られた信号１１８をＡ／Ｄコンバータ１２０によって調整し、データ流１２２としてデータプロセッサ１２４に入力し、ここで、以下に更に詳細に説明するように、メモリー１２６に記憶された所定の基準電圧と比較する。電気的負荷、反応体供給流れの温度及び圧力（即ちここに図示していないセンサから得られたデータ）等のスタック３２の作動状態（スタック作動データ（ｓｔａｃｋ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｓ））をデータプロセッサ１２４に入力し、監視を受ける燃料電池９４の所与の電圧出力についての適正な基準電圧をメモリー１２６から選択する。
【００２８】
λA及びλCを監視するためのセンサとして使用される燃料電池９４は、λA及びλCの変化に対する感度に基づいて選択できる。上述のように、燃料電池９４の構造及び製造におけるばらつきのため、各燃料電池９４は、効率的に作動する上でのλA及びλCが異なる。更に、こうしたばらつきにより、燃料電池９４はλA及び／又はλCの変化に対する感度が異なる。即ち、λA及び／又はλCの変化に応じた特定の燃料電池９４の電圧出力の変化は、燃料電池９４の全体に対するλA及び／又はλCの同じ変化に応じた電圧出力の変化よりも遙かに大きくなる。λA及び／又はλCの変化に対する感度が高い又は大きいというこの望ましからぬ特性を使用し、燃料電池システムの診断及び／又は作動アセスメントを行うためにλA及び／又はλCの変化を検出できる。
【００２９】
λA及び／又はλCの変化に対する感度が高い又は大きい燃料電池９４を、組み立て前検査中又は組み立て済みのスタック３２の試験中に確認できる。燃料電池スタック３２を組み立てた後、試験台等の試験装置にスタック３２を置き、スタック３２を徹底的に試験する。試験台では、各燃料電池に対し、スタック３２が正確に制御された作動条件下で電気を発生している場合の各燃料電池９４の電圧出力を監視できるように電気的接続が行われる。スタック３２の作動条件は、正確に計測され、制御され、及び／又は試験中に変更される。第１回目の試験「Ｔ1」で、正確に制御された反応体供給流れ８２及び８６をスタック３２に供給し、λA及びλCを知る。更に、電気的負荷、温度、圧力、クーラント流、及び様々な供給流れの相対湿度等のスタック３２の作動条件を（好ましくは定常状態で）計測し、制御する。次いで、燃料電池９４の各々の電圧出力を記録する。
【００３０】
高められた感度についての変数を見つけるのが望ましく（監視される変数）、次いでこれを第２回目の試験「Ｔ2」で残りの変数を一定に保持しながら調節する。Ｔ2中に燃料電池９４の各々の電圧出力の変化を記録する。例えば、λAの変化に対する感度が高い燃料電池９４を見つけるのが所望である場合には、燃料供給流れ８６を制御された周知の方法で、例えばスタック３２に供給される水素の量を減少させることによって変化させ、燃料電池９４の電圧出力を記録する。燃料電池９４の各々の電圧出力の変化を計算し、電圧出力の変化が燃料電池全体の電圧出力の平均的変化よりも大きい燃料電池をλAの変化に対する感度が高い燃料電池の候補であると確認する。平均からの約２０ｍＶの電圧変化が、高い感度について十分である。一つ又はそれ以上の燃料電池９４を確認された候補から選択し、スタック３２のセンサ燃料電池９４として使用し、燃料供給流れ８６のλAの変化をＴ2の結果的に基づいて監視する。Ｔ2で満足のいくセンサ燃料電池９４が確認されなかった場合には、満足のいくセンサ燃料電池９４を確認するために別の試験を行う。
【００３１】
第３回目の試験「Ｔ3」で、λAを、残りの変数を一定に保持しながら再び変化させ、感度が高い候補として確認された燃料電池９４の各々の出力電圧の変化を決定する。随意であるが、各燃料電池９４が試験台に接続されているため、全ての燃料電池９４についての出力電圧の変化を監視できる。監視を受ける燃料電池９４の各々の出力電圧の変化を記録し、基準電圧のデータ表のデータ点、及び関連した作動状態を発生する。
【００３２】
試験Ｔ1乃至試験Ｔnを行う上で、任意の一つの変数の変化は有限の範囲に亘る。例えば、λAは、０．１等の様々な増分段階で１．５から１．０まで変化してもよく、燃料電池９４の出力電圧を記録し、比較する。試験（監視）を受ける変数を有限範囲に亘って段階的に変化させると、スタック３２に作用する電気的負荷等の別の変数が新たな値まで変化し、試験（監視）を受ける変数がその増分変化に亘って段階的に変化し、残りの変数（変化した「別の変数」を含む）が一定に保持される。このプロセスは、センサとして役立つのに十分な所望の高い感度を持つ一つ又はそれ以上の燃料電池９４が確認されるまで、及びスタック３２の様々な作動状態について、燃料電池センサの電圧出力を使用して試験（監視）を受ける変数を計測できるように十分な量の経験的データが得られるまで続けられる。例えば、このプロセスは、スタックの３乃至５の異なる作動状態が試験され、試験を行った作動状態の各々について２個乃至５個のデータ点が得られるまで続けることができる。
【００３３】
スタック３２の他の変数（作動状態における）の変化に対する感度が高い燃料電池９４を確認するため、相互作用試験手順を続行できる。例えば、燃料電池９４は、λA、λC、ＣＯ2のλ、ＣＯのλ、及び供給流れ中の相対湿度の変化に対する感度が高くてもよい。出力電圧を使用することに加え、又は出力電圧の代わりに出力電圧の変化速度を使用してもよいということは理解されるべきである。
【００３４】
スタック３２でセンサとして使用される燃料電池９４の各々について収集し記録した経験的データをメモリー１２６にデータプロセッサ１２４が基準とするデータ表として記憶し、センサ燃料電池９４の計測された電圧出力と比較するのに利用できる。更に、データ数が更に多いデータ表を提供するため、経験的データを使用してシステムをモデル化することもできる。記憶されたデータは、スタック３２の作動状態でのセンサ燃料電池９４の基準電圧についてのλ値を提供する。参照機能を使用してセンサ燃料電池９４の電圧出力をメモリー１２６のデータ表の基準電圧と比較し、スタック３２の作動状態についてのセンサ燃料電池９４の計測された電圧に最も近い基準電圧が確認されるまで所与の作動状態についてのλ値を提供する。基準電圧と計測された電圧出力との間で正確な適合がなされた場合、計測されるλA及びλC等の変数の値を適合データと関連した経験的データから決定する。計測された電圧出力とメモリー１２６に記憶された基準電圧出力とが完全に適合する必要はない。むしろ、一次補間を使用し、計測された電圧出力がメモリー１２６に記憶された基準電圧データ点間にある場合、計測される変数についての見積もり値を確立できる。センサ燃料電池９４の電圧出力の変化がセンサが監視する変数の変化に従って線型でない場合にも一次補間を使用できる。一次補間の精度を向上するため、試験される変数が試験中及び経験的データ収集中に段階的に変化する増分段階を小さくできる。その結果、応答が線型応答に更に近づく。一次補間を説明したけれども、所与の燃料電池電圧を関連したλ値と関連させるために更に高次の補間を使用できるということは理解されるべきである。
燃料電池９４の様々な作動状態及び電圧出力について発生した表の大きさは、記録された変数の数、センサによって確認されるべき監視を受ける変数が変化する増分段階の大きさ、及び段階的に行われるスタック３２の様々な作動状態の数に応じて変化する。このように大量のデータを記憶することにより、メモリー１２６が必要とする記憶容量の量が増大し、プロセッサ１２４によって計算を行う。過剰の記憶容量に対する必要をなくすため、経験的データを使用して監視を受ける変数の値をセンサ燃料電池９４の電圧出力及びスタック３２の様々な作動状態の関数として近似する等式を形成する。このような等式は、曲線のあてはめであってもよいし、表面のあてはめであってもよく、又は経験的データを近似するシステム特性によって記載されてもよい。システム特性は、当該技術分野で周知の算術的方法である。多入力単出力システムの形態をとり、経験的データを使用し、所与の任意の入力値に対するシステム出力を近似する等式を形成する。次いで、データプロセッサ１２４を使用し、監視された変数の値をセンサ燃料電池９４の電圧出力及びスタック３２の作動状態に基づいて適当な等式を使用して決定する。
【００３５】
特定の変数の変化に対する感度が高い所定の電圧出力を持つ燃料電池９４を確認するためにスタック３２の各燃料電池９４の試験を行う代わりに、感度の高い燃料電池９４を製造してもよい。これらの特別の燃料電池９４は、所与の変数に対する感度が高いように製造できる。例えば、λAの変化に対する感度が高い燃料電池９４を製造するため、アノード流チャンネル１０２を更に大きな抵抗を持つように形成でき、これによってアノード面９６ａに沿って流れる水素の量を制限する。アノード面９６ａによって水素の流れを減少することにより、λAの変化に対する燃料電池９４の感度を高くする。別の態様では、及び／又は追加として、拡散媒体、又は一次電流コレクタ７６及び８０を更に大きな抵抗を持つように形成でき、これによってアノード面９６ａに沿って流れる水素の量を制限する。アノード面９６ａに沿った水素の流れを減少することにより、λAの変化に対する燃料電池９４の感度を高くする。
【００３６】
λCの変化に対する感度が高い燃料電池９４を製造するため、カソード流チャンネル１００を更に大きな抵抗を持つように形成でき、これによってカソード面９６ｃに沿って流れる酸素の量を制限する。カソード面９６ｃに沿った酸素の流れを減少することにより、λCの変化に対する燃料電池９４の感度を高くする。別の態様では、及び／又は追加として、拡散媒体、又は一次電流コレクタ７４及び７８を更に大きな抵抗を持つように形成でき、これによってカソード面９６ｃに沿って流れる酸素の量を制限する。カソード面９６ｃに沿った酸素の流れを減少することにより、λCの変化に対する燃料電池９４の感度を高くする。
【００３７】
高い相対湿度（ＲＨ）に対する感度が高い燃料電池９４を形成するため、燃料電池９４を更に溢れ易くするためにテフロン（登録商標）製ローディングを変化させることができる。この場合、燃料電池９４は、スタックの他の燃料電池よりも前に溢れ、燃料電池９４の電圧出力はこの溢れに応じて変化する。別の態様では、及び／又は追加として、スタック３２の端プレートと隣接した燃料電池９４は、端プレート周囲の絶縁体を幾分除去することによって、溢れに対する感度を高くでき、これによって燃料電池９４の温度を低下する。温度の低下により、凝縮及び溢れが、燃料電池９４で、スタックの他の燃料電池よりも前に起こるようにする。別の態様では、及び／又は追加として、燃料電池９４は、燃料電池９４の温度をクーラント出口温度でなくクーラント入口温度に近づけるため、平均以上の大きさのクーラント通路を備えていてもよい。温度を低下させることにより、凝縮及び溢れが、燃料電池９４で、スタックの他の燃料電池よりも前に起こるようにする。
【００３８】
特別の燃料電池９４をスタック３２のセンサとして使用する場合、メモリー１２６には、特別の燃料電池９４を上文中に説明した方法で試験台で試験することによって収集された作成された経験的データを提供できる。しかしながら、これらの特別の燃料電池９４を使用する場合、感度が高い電池を確認する作業が不要である。経験的データは、特別の燃料電池９４による監視を受ける変数の値を特別の燃料電池９４の電圧出力及びスタック３２の作動状態の関数として近似する等式を形成するのにも使用できる。別の態様では、特別の燃料電池がほぼ同じ高い感度を持つように製造される場合、特別の燃料電池９４の挙動を予測するモデルを形成でき、監視を受ける変数の値をこのモデルを使用して予測する。
【００３９】
λA及び／又はλCの変化を容易に検出することにより、スタック３２に供給される燃料及び／又は酸素を増減するといった緩和手段によりスタック３２の作動に及ぼされる影響を最少にし及び／又はなくすことができる。更に、λA及び／又はλCの変化を検出できるようにすることによって、開ループ制御及び閉ループ制御を行うことができる。例えば、燃料プロセッサ入力が所望のλAに達する可能性を予測する一つのモデルはフィードフォワード制御装置である。フィードフォワード制御装置は燃料プロセッサ入力をぴったりと予測できるけれども、燃料プロセッサの製造誤差や触媒の経時的劣化により、完全には正確でない。次いで、閉ループ制御装置が燃料プロセッサ入力を調節（フィードフォワード結果のトリミングと呼ぶ）し、残る僅かなλAエラーを正しくすることができる。閉ループ制御装置は、出力が正確に所望のλAになるまで入力を調節する。閉ループ制御装置のフィードバックは燃料電池９４電圧レベルに基づいて計測されたλAである。同じ方法をλCに同様に適用できる。
【００４０】
λA及び／又はλCの変化を検出できることにより、選択的診断が可能になり、システムの費用が低減される。例えば、閉ループ調節が予想設定から大きく離れてしまった場合には、問題を示す警報を早期に出すことができる。λを得るためにスタックの作動を経時的に徐々に上昇させる必要がある場合には、触媒の交換を必要とするという警報を幾つかの所定のλのところで出すことができる。燃料の送出に問題が生じたためにλAがいきなり上昇した場合には、制御装置は、スタックの下流の構成要素を保護する作用を行うことができる。例えば、感度の高い燃料電池９４がλAの上昇を示した場合、制御装置は更に多くの空気を下流の燃焼器に送ることができる。希薄燃焼式燃焼器の場合、燃焼器は過剰の空気により冷却され、その結果、追加の燃料により過熱が生じることがない。
【００４１】
更に、λA及び／又はλCの変化を検出できることにより、スタック毎のばらつきを補償できる。システムを効率的に作動させるため、λA及びλCを最少にしなければならない。別の種類の制御装置は、適当な高感度燃料電池９４の電圧出力が低下し始めるまで、指令されたλA及びλCを低下させる閉ループ制御装置である。これは、スタックの最少λA及びλCを決定する。各スタックは、スタック毎のばらつきのため、最少可能なλA及びλCが僅かに異なる。閉ループ制御装置は、各スタックの特定の最少のλ作動点を見つけ、この点でスタックを作動させる。
【００４２】
λA及び／又はλCの変化を監視するために一つ又はそれ以上の燃料電池９４を使用することにより、スタック３２の各燃料電池９４の電圧出力を監視する必要をなくす。λA及び／又はλCの変化が周知であるため、全ての燃料電池９４を監視することなく、スタックの性能を最適にできる。計測が減少することにより、スタック３２の費用及び複雑さが低下し、電気接続部及び導線の数が減るために信頼性が向上する。
【００４３】
本発明の原理によるスタック３２は一つ又はそれ以上の燃料電池９４を特定の変数についてのセンサとして使用できるということは理解されるべきである。例えば、スタックは、同じ変数に対する感度が高い二つの燃料電池９４を使用でき、かくして変数の監視を重複できる。更に、特定の変数を監視するために燃料電池９４のクラスタを使用してもよいということは理解されるべきである。燃料電池９４のクラスタは、燃料電池９４を纏めたものであって、そのクラスタ電圧を使用して特定の変数を監視できる。例えば、５個の燃料電池９４の組み合わせ電圧出力を高い感度について試験し、特定の変数を変化させることができる。クラスタが高い感度を持つことがわかった場合には、クラスタを使用して特定の変数の変化を、個々の燃料電池を使用できる場合と同じ方法で監視できる。
【００４４】
本発明の説明は単なる例示であって、本発明の要旨の範疇の変更は本発明の範囲内にあるものと考えられる。このような変更は、本発明の精神及び範囲からの逸脱であるとは考えられない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】燃料電池システムの概略図である。
【図２】ＰＥＭ燃料電池スタックの概略分解斜視図である。
【図３】本発明によるλセンサを持つ双極ＰＥＭ燃料電池スタックの概略図である。
【図４】スタック内の燃料電池の電圧監視を示すために上反応体供給流れ配管が取り外してある、図３の燃料電池スタックの概略図である。
【符号の説明】
【００４６】
２０  燃料電池システム
２２  燃料プロセッサ
２４  炭化水素燃料流
２８  空気流
３０  改質体流
３２  燃料電池スタック
３４  流れ
３６  アノード排出物
３８  カソード排出物
４０  燃焼器
４２  炭化水素燃料
４４  流れ
【図１】
2005524216.tif 000004
【図２】
2005524216.tif 000005
【図３】
2005524216.tif 000006
【図４】
2005524216.tif 000007
【国際調査報告】
2005524216.tif 000008