(57)【要約】燃料電池スタックにおける、個々の燃料電池、又は燃料電池集合体を、再生、補完、又はバイパスするための方法、及び装置が開示されている。この方法、及び装置は、燃料電池の正極部分と負極部分における触媒触媒毒を除去するための機構、及び電気分解作用の改良を提供する。スタックにおける個々の燃料電池、又は燃料電池集合体と並列に、可変抵抗部、又は可変電力供給部を制御する制御装置が、利用される。可変抵抗部の抵抗値又は可変電力供給部の電圧レベルを調整することで、直接的に燃料電池の電流を制御する。キルヒホッフの法則によると、燃料電池スタックが稼動中に燃料電池電圧を減少させると、燃料電池の電流が増加し、負極及び正極のそれぞれの電極触媒に蓄積した触媒毒は除去され、これにより、燃料電池は再生する。一般的には、セル触媒毒の除去には、燃料電池電位を短い周期のパルス変化させることが必要である。燃料電池内における複数の処理の範囲を限定するための方法と装置であって、燃料電池スタックを診断し、燃料電池スタック性能の最適化が可能である方法、及び装置が開示されている。
2005527943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池が稼動している間に、個別の前記燃料電池の操作を行う為の装置であって、
前記燃料電池に連結される可変抵抗部と、
前記可変抵抗部を調整する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池における電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有し、前記制御部は、前記燃料電池における前記電圧レベル、及び前記電流レベルのそれぞれに基づいて前記可変抵抗部を調整することを特徴とする装置。
【請求項２】
燃料電池が稼動している間に、個別の前記燃料電池の操作を行う為の装置であって、
燃料電池に連結される可変電力供給部と、
前記燃料電池へ印加される前記可変電力供給部を調整する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池における電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有し、前記制御部は、前記燃料電池における前記電圧レベル、及び前記電流レベルのそれぞれに基づいて前記可変電力供給部を調整することを特徴とする装置。
【請求項３】
燃料電池が稼動している間に、互いに直列に連結された複数の前記燃料電池を有した燃料電池スタックにおける個別の前記燃料電池の操作を行う為の装置であって、
それぞれの前記燃料電池の電圧レベル、及び前記燃料電池スタックの電圧レベルを定める為の測定手段を有する制御部と、
可変抵抗値を与え、複数の前記燃料電池のそれぞれに連結され、前記制御部とそれぞれ接続される、複数の可変抵抗部と
前記制御部に連結される電力供給部と
を備え、
前記制御部は、特定の燃料電池における前記電圧レベルを変更するために前記可変抵抗値を調整することを特徴とする装置。
【請求項４】
前記電力供給部は、前記燃料電池スタックから電力を受け取ることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記操作は、再生操作であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記操作は、補完操作であることを特徴とする請求項２又は請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記操作は、バイパス操作であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
燃料電池が稼動している間に、互いに直列に連結された複数の前記燃料電池を有した燃料電池スタックにおける個別の前記燃料電池の操作を行う為の装置であって、
前記燃料電池のそれぞれの電圧レベル、及び前記燃料電池スタックの電圧レベルを定める為の測定手段を有する制御部と、
可変電圧源を与え、複数の前記燃料電池のそれぞれに連結され、前記制御部とそれぞれ接続される、複数の可変電力供給部と
前記制御部に連結される電力供給部と
を備え、
前記制御部は、特定の燃料電池における前記電圧レベルを変更するために前記可変電力供給部のそれぞれの前記電圧レベルを調整することを特徴とする装置。
【請求項９】
前記電力供給部は、前記燃料電池スタックから電力を受け取ることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記操作は、再生操作であることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記操作は、補完操作であることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１２】
前記操作は、バイパス操作であることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１３】
燃料電池が稼動している間に、互いに直列に連結された複数の前記燃料電池を有した燃料電池スタックにおける個別の前記燃料電池の操作を行う為の装置であって、
前記燃料電池スタックの電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有する制御部と、
前記制御部によって制御される可変抵抗部と、
複数の前記燃料電池のそれぞれに接続され、前記制御部と前記可変抵抗部とに接続されるスイッチ手段とを備え、
前記制御部は、特定の燃料電池における前記電圧レベルを、前記電圧レベルと前記電流レベルとに基づいて変更するために前記可変抵抗部の可変抵抗値を調整し、前記制御部は、前記スイッチに、前記特定の燃料電池を通る電流を増加させることを特徴とする装置。
【請求項１４】
前記操作は、再生操作であることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記操作は、バイパス操作であることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
燃料電池が稼動している間に、互いに直列に連結された複数の前記燃料電池を有した燃料電池スタックにおける個別の前記燃料電池の操作を行う為の装置であって、
前記燃料電池スタックの電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有する制御部と、
前記制御部によって制御される可変電力供給部と、
複数の前記燃料電池のそれぞれに接続され、前記制御部と前記可変抵抗部とに接続されるスイッチ手段とを備え、
前記制御部は、特定の燃料電池における前記電圧レベルを、前記電圧レベルと前記電流レベルとに基づいて変更するために前記可変電力供給部の電圧レベルを調整し、前記制御部は、前記スイッチに、前記特定の燃料電池を通る電流を増加させることを特徴とする装置。
【請求項１７】
前記操作は、再生操作であることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記操作は、補完操作であることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記操作は、バイパス操作であることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
個別の燃料電池を再生する方法であって、
ａ）可変抵抗部を前記燃料電池に対して連結する段階と、
ｂ）前記可変抵抗部に対して電圧源を供給する段階と、
ｃ）前記燃料電池に対して電圧レベルを測定する段階と、
ｄ）前記燃料電池に対して電流レベルを測定する段階と、
ｅ）段階ｃ）及び段階ｄ）において測定された前記電圧レベルと前記電流レベルとに基づいて前記可変抵抗部を制御する段階と
を備える方法。
【請求項２１】
複数の燃料電池からなるスタックにおける個別の燃料電池をバイパスする方法であって、
ａ）可変抵抗部を前記燃料電池に対して連結する段階と、
ｂ）前記可変抵抗部に対して電圧源を供給する段階と、
ｃ）前記燃料電池に対して電圧レベルを測定する段階と、
ｄ）段階ｃ）において測定された前記電圧レベルに基づいて、前記可変抵抗部を通る電流をバイパスするために、前記可変抵抗部を制御する段階と
を備える方法。
【請求項２２】
燃料電池スタックにおける個別の燃料電池を再生する方法であって、
ａ）可変電力供給部を前記燃料電池に対して連結する段階と、
ｂ）前記燃料電池に対して電圧レベルを供給する段階と、
ｃ）前記燃料電池の電圧レベルと、前記燃料スタックの電流レベルとを測定する段階と、
ｄ）段階ｃ）において測定された前記電圧レベルと前記電流レベルとに基づいた前記電圧レベルを制御する段階と
を備える方法。
【請求項２３】
複数の燃料電池からなるスタックにおける個別の燃料電池をバイパスする方法であって、
ａ）可変電力供給部を前記燃料電池に対して連結する段階と、
ｂ）前記燃料電池に対して電圧レベルを供給する段階と、
ｃ）前記燃料電池の電圧レベルと、前記燃料スタックの電流レベルとを測定する段階と、
ｄ）段階ｃ）において測定された前記電圧レベルと前記電流レベルとに基づいて、
前記燃料電池からの電流をバイパスするために前記電圧レベルを制御する段階と
を備える方法。
【請求項２４】
複数の燃料電池からなるスタックにおける個別の燃料電池を補完する方法であって、
ａ）可変電力供給部を前記燃料電池に対して連結する段階と、
ｂ）前記燃料電池に対して電圧レベルを供給する段階と、
ｃ）前記燃料電池の電圧レベルと、前記燃料スタックの電流レベルとを測定する段階と、
ｄ）段階ｃ）において測定された前記電圧レベルと前記電流レベルとに基づいて、
前記燃料電池からの電流を補完するために前記電圧レベルを制御する段階と
を備える方法。
【請求項２５】
燃料電池管理システムを用いて、複数の燃料電池からなるスタックにおいて、劣化した燃料電池を検出し再生する方法であって、
ａ）検出するために燃料電池を選択する段階と、
ｂ）選択された前記燃料電池の電圧レベルを測定する段階と、
ｃ）前記電圧レベルを予め定められた電圧レベルと比較する段階と、
ｄ）前記電圧レベルが予め定められた電圧レベルよりも小さい場合、前記燃料電池を通る前記燃料を増加させるために、前記燃料電池に対する可変抵抗部を調整し、前記燃料電池管理システムを更新するために段階ｂ）において測定された前記電圧レベルを出力する段階と、
ｅ）前記電圧レベルが予め定められた電圧レベルと少なくとも等しい場合、段階ａ）から段階ｅ）までを繰り返す段階と
を備える方法。
【請求項２６】
燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池の複数の触媒触媒毒を検出し、燃料電池管理システムを用いて、すくなくとも２つの前記燃料電池のそれぞれの再生を行うための優先順位をつける方法であって、
ａ）少なくとも２つの前記燃料電池のそれぞれの電圧レベルを測定する段階と、
ｂ）前記燃料電池スタックの電圧レベルを測定する段階と、
ｃ）段階ａ）で測定された前記電圧レベル、及び段階ｂ）で測定された前記電圧レベルに基づいて、少なくとも２つの前記燃料電池における複数の触媒触媒毒のレベルを検出する段階と、
ｄ）段階ｃ）で特定された複数の触媒触媒毒のレベルに基づいて、すくなくとも２つの前記燃料電池のそれぞれの優先順位をつける段階と、
ｅ）最も高い優先順位レベルに対して、前記最も高い優先順位レベルを有する第１の燃料電池の可変抵抗値を調整し、前記第１の燃料電池における複数の触媒触媒毒の前記レベルを更新する段階と、
ｆ）段階ｄ）において前記２つの燃料電池のそれぞれに優先順位がつけられた場合、第２の燃料電池の可変抵抗値を調整する段階と、
ｇ）段階ｄ）において、少なくとも２つの前記燃料電池に優先順位がつけられた場合、段階ｃ）から段階ｇ）までを繰り返す段階と
を備えた方法。
【請求項２７】
燃料電池管理システムを用いて、複数の燃料電池からなるスタックにおいて、劣化した燃料電池を検出し再生する方法であって、
ａ）検出するために燃料電池を選択する段階と、
ｂ）選択された前記燃料電池の電圧レベルを測定する段階と、
ｃ）前記電圧レベルを予め定められた電圧レベルと比較する段階と、
ｄ）前記電圧レベルが予め定められた電圧レベルよりも小さい場合、前記燃料電池を通る前記燃料を増加させるために、前記燃料電池に対して電圧レベルを印加し、前記燃料電池管理システムを更新するために段階ｂ）において測定された前記電圧レベルを出力する段階と、
ｅ）前記電圧レベルが予め定められた電圧レベルと少なくとも等しい場合、段階ａ）から段階ｅ）までを繰り返す段階と
を備える方法。
【請求項２８】
燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池の複数の触媒触媒毒を検出し、燃料電池管理システムを用いて、すくなくとも２つの前記燃料電池のそれぞれの再生を行うための優先順位をつける方法であって、
ａ）少なくとも２つの前記燃料電池のそれぞれの電圧レベルを測定する段階と、
ｂ）前記燃料電池スタックの電圧レベルを測定する段階と、
ｃ）段階ａ）で測定された前記電圧レベル、及び段階ｂ）で測定された前記電圧レベルに基づいて、少なくとも２つの前記燃料電池における複数の触媒触媒毒のレベルを検出する段階と、
ｄ）段階ｃ）で特定された複数の触媒触媒毒のレベルに基づいて、すくなくとも２つの前記燃料電池のそれぞれの優先順位をつける段階と、
ｅ）最も高い優先順位レベルに対して、前記最も高い優先順位レベルを有する第１の燃料電池に対して電圧レベルを印加し、前記第１の燃料電池における複数の触媒触媒毒の前記レベルを更新する段階と、
ｆ）段階ｄ）において前記２つの燃料電池のそれぞれに優先順位がつけられた場合、第２の燃料電池に対して電圧レベル値を印加する段階と、
ｇ）段階ｄ）において、少なくとも２つの前記燃料電池に優先順位がつけられた場合、段階ｃ）から段階ｇ）までを繰り返す段階と
を備えた方法。
【請求項２９】
燃料電池管理システムを用いて、複数の燃料電池よりなるスタックにおける、複数の触媒触媒毒を検出し、劣化した燃料電池を再生するための方法であって、
ａ）スタック電圧レベルを測定する段階と、
ｂ）前記スタック電圧レベルを予め定められたスタック電圧レベルと比較する段階と
ｃ）前記スタック電圧レベルが予め定められたスタック電圧レベルよりも小さい場合、実行する複数の段階と
を備え、
前記複数の段階は、
ｃ１）検出するために燃料電池を選択する段階と、
ｃ２）前記燃料電池のセル電圧レベルを測定する段階と、
ｃ３）前記セル電圧レベルを、予め定められたセル電圧レベル閾値と比較する段階と、
ｃ４）前記電圧レベルが、予め定められたセル電圧レベル閾値よりも小さい場合、前記燃料電池に対する可変抵抗値を調整し、前記燃料電池管理システムを更新するための段階で測定されたセル電圧レベルを出力する段階と、
ｃ５）前記電圧レベルが、予め定められたセル電圧レベル閾値よりも少なくとも等しい場合、段階ａ）から段階ｃ）を繰り返す段階とを有し、
更に、
ｄ）前記スタック電圧が少なくとも予め定められた電圧と少なくとも等しい場合、段階ａ）から段階ｄ）を繰り返す段階と
を備えた方法。
【請求項３０】
燃料電池管理システムを用いて、複数の燃料電池よりなるスタックにおける、複数の触媒触媒毒を検出し、劣化した燃料電池を再生するための方法であって、
ａ）スタック電圧レベルを測定する段階と、
ｂ）前記スタック電圧レベルを予め定められたスタック電圧レベルと比較する段階と
ｃ）前記スタック電圧レベルが予め定められたスタック電圧レベルよりも小さい場合、実行する複数の段階と
を備え、
前記複数の段階は、
ｃ１）検出するために燃料電池を選択する段階と、
ｃ２）前記燃料電池のセル電圧レベルを測定する段階と、
ｃ３）前記セル電圧レベルを、予め定められたセル電圧レベル閾値と比較する段階と、
ｃ４）前記電圧レベルが、予め定められたセル電圧レベル閾値よりも小さい場合、前記燃料電池に対して電圧レベルを印加し、前記燃料電池管理システムを更新するための段階で測定されたセル電圧レベルを出力する段階と、
ｃ５）前記電圧レベルが、予め定められたセル電圧レベル閾値よりも少なくとも等しい場合、段階ａ）から段階ｃ）を繰り返す段階とを有し、
更に、
ｄ）前記スタック電圧が少なくとも予め定められた電圧と少なくとも等しい場合、段階ａ）から段階ｄ）を繰り返す段階と
を備えた方法。
【請求項３１】
複数の燃料電池からなるスタックにおいて、燃料電池管理システムにより検出された、劣化した燃料電池をバイパスする方法であって、
ａ）検出するために燃料電池を選択する段階と、
ｂ）選択された前記燃料電池の電圧レベルと、複数の燃料電池からなる前記スタックの電流レベルとを測定する段階と、
ｃ）前記電圧レベルを、予め定められた電圧レベル閾値と比較する段階と、
ｄ）前記電圧レベルが予め定められた電圧レベル閾値よりも小さい場合、前記燃料電池を通って前記電力供給部へと流れる電流をバイパスするために、選択された前記燃料電池に対する前記電圧レベルを増加させるための可変電力供給部を動作させ、前記燃料電池管理システムを更新するための段階ｂ）において測定された前記電圧レベルを出力する段階と
を備える方法。
【請求項３２】
複数の燃料電池からなるスタックにおいて、燃料電池管理システムにより検出された、劣化した燃料電池をバイパスする方法であって、
ａ）検出するために燃料電池を選択する段階と
ｂ）選択された前記燃料電池の電圧レベルと、複数の燃料電池からなる前記スタックの電流レベルとを測定する段階と、
ｃ）前記電圧レベルを、予め定められた電圧レベル閾値と比較する段階と、
ｄ）前記電圧レベルが予め定められた電圧レベル閾値よりも小さい場合、前記燃料電池を通って前記電力供給部へと流れる電流をバイパスするために、選択された前記燃料電池に対する前記電圧レベルを増加させるための可変電力供給部を動作させる段階と
を備える方法。
【請求項３３】
複数の燃料電池からなるスタックにおいて、燃料電池管理システムにより検出された、劣化した燃料電池を補完する方法であって、
ａ）検出するために燃料電池を選択する段階と
ｂ）選択された前記燃料電池の電圧レベルと、複数の燃料電池からなる前記スタックの電流レベルとを測定する段階と、
ｃ）前記電圧レベルを、予め定められた電圧レベル閾値と比較する段階と、
ｄ）前記電圧レベルが予め定められた電圧レベル閾値よりも小さい場合、予め定められた電圧レベル閾値と少なくとも等しい電圧レベルにまで、選択された前記燃料電池に対する前記電圧レベルを増加させるために、選択された前記燃料電池に対する前記電圧レベルを増加させるための可変電力供給部を動作させる段階と
を備える方法。
【請求項３４】
複数の燃料電池からなるスタックにおいて、燃料電池管理システムにより検出された、劣化した燃料電池を補完する方法であって、
ａ）検出するために燃料電池を選択する段階と、
ｂ）選択された前記燃料電池の電圧レベルと、複数の燃料電池からなる前記スタックの電流レベルとを測定する段階と、
ｃ）前記電圧レベルを、予め定められた電圧レベル閾値と比較する段階と、
ｄ）前記電圧レベルが予め定められた電圧レベル閾値よりも小さい場合、予め定められた電圧レベル閾値と少なくとも等しい電圧レベルにまで、選択された前記燃料電池に対する前記電圧レベルを増加させるために、選択された前記燃料電池に対する前記電圧レベルを増加させるための可変電力供給部を動作させ、前記燃料電池管理システムを更新するための段階ｂ）において測定された前記電圧レベルを出力する段階と、
ｅ）前記電圧が、予め定められた電圧レベル閾値と少なくとも等しい場合、段階ａ）から段階ｃ）を繰り返す段階と
を備える方法。
【請求項３５】
複数の燃料電池からなるスタックにおいて、燃料電池管理システムにより検出された、劣化した燃料電池を置換する方法であって、
ａ）検出するために燃料電池を選択する段階と、
ｂ）選択された前記燃料電池の電圧レベルと、複数の燃料電池からなる前記スタックの電流レベルとを測定する段階と、
ｃ）前記電圧レベルを、予め定められた電圧レベル閾値と比較する段階と、
ｄ）前記電圧レベルが予め定められた電圧レベル閾値よりも小さい場合、前記燃料電池の電流をバイパスするために、前記燃料電池に対する可変抵抗値を調整する段階と
を備える方法。
【請求項３６】
複数の燃料電池からなるスタックにおいて、燃料電池管理システムにより検出された、劣化した燃料電池を置換する方法であって、
ａ）検出するために燃料電池を選択する段階と、
ｂ）選択された前記燃料電池の電圧レベルを測定する段階と、
ｃ）前記電圧レベルを、予め定められた電圧レベル閾値と比較する段階と、
ｄ）前記電圧レベルが予め定められた電圧レベル閾値よりも小さい場合、前記燃料電池の電流をバイパスするために、前記燃料電池に対する可変抵抗値を調整し、前記燃料電池管理システムを更新するための段階ｂ）において測定された前記電圧レベルを出力する段階と、
ｅ）前記電圧が、予め定められた電圧レベル閾値と少なくとも等しい場合、段階ａ）から段階ｃ）を繰り返す段階と
を備える方法。
【請求項３７】
燃料電池スタックは、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有し、前記複数の燃料電池は、前記複数の燃料電池の中に、少なくとも１つの燃料電池からなる燃料電池の集合体を含んでおり、前記燃料電池が稼動している間に、前記燃料電池スタックにおける個別の前記燃料電池の操作を行う為の装置であって、
少なくとも１つの前記燃料電池からなる前記集合体における、電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有する制御部と、
前記制御部によって制御される可変抵抗部と、
複数の前記燃料電池のそれぞれに接続され、前記制御部と前記可変抵抗部とに接続されるスイッチ手段とを備え、
前記制御部は、前記電圧レベルと前記電流レベルとに基づいて少なくとも１つの前記燃料電池からなる前記集合体の前記電圧レベルを変更するために前記可変抵抗部の可変抵抗値を調整し、前記制御部は、前記スイッチに、少なくとも１つの前記燃料電池からなる前記集合体における特定の燃料電池を通る電流を増加させることを特徴とする装置。
【請求項３８】
燃料電池スタックは、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有し、前記複数の燃料電池は、前記複数の燃料電池の中に、少なくとも１つの燃料電池からなる燃料電池の集合体を含んでおり、前記燃料電池が稼動している間に、前記燃料電池スタックにおける少なくとも１つの個別の前記燃料電池の操作を行う為の装置であって、
少なくとも１つの前記燃料電池からなる前記集合体における、電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有する制御部と、
前記制御部によって制御される可変抵抗部と、
複数の前記燃料電池のそれぞれに接続され、前記制御部と前記可変抵抗部とに接続されるスイッチ手段とを備え、
前記制御部は、前記電圧レベルと前記電流レベルとに基づいて少なくとも１つの前記燃料電池からなる前記集合体の前記電圧レベルを調整するために前記可変抵抗部の可変抵抗値を調整し、前記制御部は、前記スイッチに、少なくとも１つの前記燃料電池からなる前記集合体における少なくとも２つの燃料電池を通る電流を、増加させることを特徴とする装置。
【請求項３９】
燃料電池スタックは、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有し、前記燃料電池が稼動している間に、前記燃料電池スタックにおける少なくとも２つの前記燃料電池の操作を行う為の装置であって、
前記燃料電池スタックの電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有する制御部と、
前記制御部によって制御される可変抵抗部と、
複数の前記燃料電池のそれぞれに接続され、前記制御部と前記可変抵抗部とに接続されるスイッチ手段とを備え、
前記制御部は、少なくとも２つの燃料電池のそれぞれにおける燃料電池電圧レベルを、前記電圧レベルと前記電流レベルとに基づいて変更するために前記可変抵抗部の可変抵抗値を調整し、前記制御部は、前記スイッチに、少なくとも２つの前記燃料電池を通る電流を、同時に増加させることを特徴とする装置。
【請求項４０】
燃料電池スタックは、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有し、前記燃料電池が稼動している間に、前記燃料電池スタックにおける少なくとも２つの前記燃料電池の操作を行う為の装置であって、
前記燃料電池スタックの電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有する制御部と、
前記制御部によって制御される可変抵抗部と、
複数の前記燃料電池のそれぞれに接続され、前記制御部と前記可変抵抗部とに接続されるスイッチ手段とを備え、
前記制御部は、少なくとも２つの燃料電池のそれぞれにおける燃料電池電圧レベルを、前記電圧レベルと前記電流レベルとに基づいて、個別に変更するために複数の前記可変抵抗部における少なくとも２つの前記可変抵抗部に対応した、少なくとも２つの前記可変抵抗部の可変抵抗値を調整し、前記制御部は、前記スイッチに、少なくとも２つの前記燃料電池を通る電流を、同時に増加させることを特徴とする装置。
【請求項４１】
前記操作は、再生操作であることを特徴とする請求項３７から請求項４０のいずれかに記載の装置。
【請求項４２】
前記操作は、バイパス操作であることを特徴とする請求項３７から請求項４０のいずれかに記載の装置。
【請求項４３】
燃料電池スタックは、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有し、前記複数の燃料電池は、前記複数の燃料電池の中に、少なくとも１つの燃料電池からなる燃料電池の集合体を含んでおり、前記燃料電池が稼動している間に、前記燃料電池スタックにおける個別の前記燃料電池の操作を行う為の装置であって、
少なくとも１つの前記燃料電池からなる前記集合体における、燃料電池電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有する制御部と、
前記制御部によって制御される可変電力供給部と、
複数の前記燃料電池のそれぞれに接続され、前記制御部と前記可変電力供給部とに接続されるスイッチ手段とを備え、
前記制御部は、前記電圧レベルと前記電流レベルとに基づいて少なくとも１つの前記燃料電池からなる前記集合体の前記電圧レベルを変更するために前記可変電力供給部の電力供給電圧レベルを調整し、前記制御部は、前記スイッチに、少なくとも１つの前記燃料電池からなる前記集合体における特定の燃料電池を通る電流を、増加させることを特徴とする装置。
【請求項４４】
燃料電池スタックは、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有し、前記複数の燃料電池は、前記複数の燃料電池の中に、少なくとも１つの燃料電池からなる燃料電池の集合体を含んでおり、前記燃料電池が稼動している間に、前記燃料電池スタックにおける少なくとも１つの個別の前記燃料電池の操作を行う為の装置であって、
少なくとも１つの前記燃料電池からなる前記集合体における、燃料電池電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有する制御部と、
前記制御部によって制御される可変電力供給部と、
複数の前記燃料電池のそれぞれに接続され、前記制御部と前記可変電力供給部とに接続されるスイッチ手段とを備え、
前記制御部は、前記電圧レベルと前記電流レベルとに基づいて少なくとも１つの前記燃料電池からなる前記集合体の前記電圧レベルを変更するために前記可変電力供給部の電力供給電圧レベルを調整し、前記制御部は、前記スイッチに、少なくとも１つの前記燃料電池からなる前記集合体における特定の燃料電池を通る電流を増加させることを特徴とする装置。
【請求項４５】
燃料電池スタックは、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有し、前記燃料電池が稼動している間に、前記燃料電池スタックにおける少なくとも２つの前記燃料電池の操作を行う為の装置であって、
前記燃料電池スタックの燃料電池電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有する制御部と、
前記制御部によって制御される可変電力供給部と、
複数の前記燃料電池のそれぞれに接続され、前記制御部と前記可変電力供給手段とに接続されるスイッチ手段とを備え、
前記制御部は、少なくとも２つの燃料電池のそれぞれにおける燃料電池電圧レベルを、前記電圧レベルと前記電流レベルとに基づいて変更するために前記可変電力供給部の電力供給電圧レベルを調整し、前記制御部は、前記スイッチに、少なくとも２つの前記燃料電池を通る電流を、同時に増加させることを特徴とする装置。
【請求項４６】
燃料電池スタックは、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有し、前記燃料電池が稼動している間に、前記燃料電池スタックにおける少なくとも２つの前記燃料電池の操作を行う為の装置であって、
少なくとも２つの前記燃料電池の燃料電圧と、前記燃料電池スタックの電流レベルとを定める為の測定手段を有する制御部と、
前記制御部によって制御される複数の可変電力供給部と、
複数の前記燃料電池のそれぞれに接続され、前記制御部と複数の前記可変電力供給手段とに接続されるスイッチ手段とを備え、
前記制御部は、少なくとも２つの前記燃料電池のそれぞれにおける前記燃料電池電圧レベルを、前記電圧レベルと前記電流レベルとに基づいて個別に変更するために、複数の前記可変電力供給部における、少なくとも２つの可変電力供給部に対応した、少なくとも２つの可変電力供電圧レベルを調整し、前記制御部は、前記スイッチに、少なくとも２つの前記燃料電池を通る電流を、同時に増加させることを特徴とする装置。
【請求項４７】
前記操作は、補完操作であることを特徴とする請求項４３から請求項４６のいずれかに記載の装置。
【請求項４８】
前記操作は、バイパス操作であることを特徴とする請求項４３から請求項４６のいずれかに記載の装置。
【請求項４９】
前記操作は、再生操作であることを特徴とする請求項４３から請求項４６のいずれかに記載の装置。
【請求項５０】
燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池の複数の触媒触媒毒を検出し、燃料電池管理システムを用いて、すくなくとも２つの前記燃料電池のそれぞれの再生を行うための優先順位をつける方法であって、
ａ）少なくとも２つの前記燃料電池のそれぞれの燃料電池電圧レベルを測定する段階と、
ｂ）前記燃料電池スタックのスタック電圧レベルを測定する段階と、
ｃ）段階ａ）で測定された前記燃料電池電圧レベル、及び段階ｂ）で測定された前記スタック電圧レベルのそれぞれに基づいて、少なくとも２つの前記燃料電池における複数の触媒触媒毒のレベルを検出する段階と、
ｄ）段階ｃ）で特定された複数の触媒触媒毒のレベルに基づいて、すくなくとも２つの前記燃料電池のそれぞれの優先順位をつける段階と、
ｅ）所定の優先順位レベルに対して、少なくとも２つの前記燃料電池において、少なくとも１つの前記燃料電池に対応する前記燃料電池電圧を、少なくとも１つの燃料電池に対してパルスを印加することによって、調整する段階と
を備え、
前記パルスは、少なくとも１つのパラメータで定義され、少なくとも１つの前記パラメータは、複数の触媒物質のレベルに基づいて決定されていることを特徴とする方法。
【請求項５１】
少なくとも１つの前記パラメータは、電圧レベルであることを特徴とする請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
少なくとも１つの前記パラメータは、それぞれのパルスに間に合った所定の周期であることを特徴とする請求項５０に記載の方法。
【請求項５３】
少なくとも１つの前記パラメータは、前記パルスに間に合った所定の周期であることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５４】
少なくとも１つの前記パラメータは、前記パルスに間に合った所定の周期であることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５５】
前記パルスは、周期的に印加されることを特徴とする請求項５０に記載の方法。
【請求項５６】
前記パルスは、周期的に印加されることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５７】
前記パルスは、周期的に印加されることを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項５８】
燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池からなる集合体における複数の触媒触媒毒を検出し、燃料電池管理システムを用いて、すくなくとも２つの前記燃料電池からなる前記集合体の再生を行うための優先順位をつける方法であって、
ａ）少なくとも２つの前記燃料電池からなる前記集合体の燃料電池電圧レベルを測定する段階と、
ｂ）前記燃料電池スタックのスタック電圧レベルを測定する段階と、
ｃ）段階ａ）で測定された前記燃料電池電圧レベル、及び前記電流レベルと、段階ｂ）で測定された前記スタック電圧レベル、及び前記燃料電池電圧レベルとに基づいて、少なくとも２つの前記燃料電池からなる前記集合体における複数の触媒触媒毒のレベルを検出する段階と、
ｄ）すくなくとも２つの前記燃料電池からなる前記集合体に対して接続された前記抵抗手段の可変抵抗値を調整する段階と
を備える方法。
【請求項５９】
燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池からなる集合体における複数の触媒触媒毒を検出し、燃料電池管理システムを用いて、すくなくとも２つの前記燃料電池からなる前記集合体の再生を行うための優先順位をつける方法であって、
ａ）少なくとも２つの前記燃料電池からなる前記集合体の燃料電池電圧レベルを測定する段階と、
ｂ）前記燃料電池スタックのスタック電圧レベルを測定する段階と、
ｃ）段階ａ）で測定された前記燃料電池電圧レベルと、段階ｂ）で測定された前記スタック電圧レベル、及び前記燃料電池電圧レベルとに基づいて、少なくとも２つの前記燃料電池からなる前記集合体における複数の触媒触媒毒のレベルを検出する段階と、
ｄ）前記抵抗手段を通る電流をバイパスするために、すくなくとも２つの前記燃料電池からなる前記集合体に対して接続された前記抵抗手段の可変抵抗値を調整する段階と
を備える方法。
【請求項６０】
燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池からなる集合体における複数の触媒触媒毒を検出し、燃料電池管理システムを用いて、すくなくとも２つの前記燃料電池からなる前記集合体の再生を行うための優先順位をつける方法であって、
ａ）少なくとも２つの前記燃料電池からなる前記集合体の燃料電池電圧レベルを測定する段階と、
ｂ）前記燃料電池スタックのスタック電圧レベルを測定する段階と、
ｃ）段階ａ）で測定された前記燃料電池電圧レベルと、段階ｂ）で測定された前記スタック電圧レベル、及び前記燃料電池電圧レベルとに基づいて、少なくとも２つの前記燃料電池からなる前記集合体における複数の触媒触媒毒のレベルを検出する段階と、
ｄ）少なくとも２つの前記燃料電池からなる前記集合体に対してパルスを印加することにより、少なくとも２つの前記燃料電池からなる前記集合体に対して印加された電圧レベルを調整する段階と
を備え、
前記パルスは、少なくとも１つのパラメータで定義され、少なくとも１つの前記パラメータは、複数の触媒物質のレベルに基づいて決定されていることを特徴とする方法。
【請求項６１】
少なくとも１つの前記パラメータは、電圧レベルであることを特徴とする請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
少なくとも１つの前記パラメータは、電圧レベルの範囲であることを特徴とする請求項６０に記載の方法。
【請求項６３】
少なくとも１つの前記パラメータは、前記パルスに間に合った所定の周期であることを特徴とする請求項６０に記載の方法。
【請求項６４】
前記パルスは、周期的に印加されることを特徴とする請求項６０に記載の方法。
【請求項６５】
燃料電池が稼動している間に、少なくとも２つの前記燃料電池を再生する為の装置であって、
すくなくとも２つの前記燃料電池へと連結される可変抵抗部と、
前記可変抵抗部を調整する制御部と
を備え、
前記制御部は、少なくとも２つの前記燃料電池における電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有し、前記制御部は、少なくとも２つの前記燃料電池における前記電圧レベル、及び前記電流レベルのそれぞれに基づいて前記可変抵抗部を調整し、前記制御部は、電力供給部から電力を受け取ることを特徴とする装置。
【請求項６６】
燃料電池が稼動している間に、少なくとも２つの前記燃料電池を再生する為の装置であって、
すくなくとも２つの前記燃料電池へと連結される可変電力供給部と、
すくなくとも２つの前記燃料電池へと割当てられた前記可変電力供給部を調整する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池における電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有し、前記制御部は、少なくとも２つの前記燃料電池における前記電圧レベル、及び前記電流レベルのそれぞれに基づいて前記可変電力供給部を調整し、前記制御部は、前記可変電力供給部から電力を受け取ることを特徴とする装置。
【請求項６７】
燃料電池スタックにおける燃料電池が稼動している間に、個別の前記燃料電池の操作を行う為の装置であって、
前記燃料電池へと連結される可変抵抗部と、
前記可変抵抗部を調整する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池スタックにおける燃料電池電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有し、前記制御部は、前記燃料電池における前記電圧レベル、及び前記電流レベルのそれぞれに基づいて前記可変抵抗部を調整し、
前記制御部は、燃料電池の中における複数の処理の範囲を決定し、これにより前記燃料電池スタックにおける性能レベルを最適化する手段を更に有することを特徴とする装置。
【請求項６８】
燃料電池スタックにおける燃料電池が稼動している間に、個別の前記燃料電池の操作を行う為の装置であって、
前記燃料電池へと連結される可変電力供給と、
前記可変抵抗部を調整する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池スタックにおける燃料電池電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有し、前記制御部は、前記燃料電池における前記電圧レベル、及び前記電流レベルのそれぞれに基づいて前記電圧レベルを変更するために、前記可変電力供給部の可変電力電圧レベルを調整し、
前記制御部は、燃料電池の中における複数の処理の範囲を決定し、これにより前記燃料電池スタックにおける性能レベルを最適化する手段を更に有することを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものであり、具体的には、複数の燃料電池のそれぞれ、又は、複数の燃料電池スタックのそれぞれにおいて、発電の健全性を管理することができる方法、及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ここ数十年、環境問題に対する関心は激増してきている。その結果、汚染を伴うエネルギー源である化石燃料から離れる動きが始まった。伝統的なエネルギー源、具体的には自動車のためのエネルギー源であるが、に代わり、一見したところ今後発展していけそうなエネルギーが、電気化学による燃料電池である。
【０００３】
電気化学燃料電池は、燃料と酸化剤の流体物である反応物を反応させ、電力と反応生成物とを生成する。燃料電池は、様々な反応物を利用することで動作し、燃料流体は、ほぼ純粋な水素ガスや、水素を含有したガス状の改質燃料流体や、メタノール溶液や、又はその他の適切な反応物である。酸化剤は、ほぼ純粋な酸素ガスや、又は、酸素を含んだ空気のような低濃度の流体である。
【０００４】
現在の燃料電池の１つの欠点は、時間と共にセルの電力出力が減衰することである。反応物流体から出る不純物や、燃料電池の反応中に燃料電池の中で中間体として生成される不純物は、負極及び正極の電極触媒の表面に吸収されるか、又は堆積する。理論上、これらの中間体は、電極触媒部分を遮り、電極触媒部分に対して望まれる電気化学反応を行わせない。これら不純物は、電極触媒における“触媒毒”として知られており、これらが電気化学燃料電池に引き起こす影響は、“電極触媒被毒”として知られている。そのような被毒は、燃料電池の電流密度に応じた電圧出力を低下させ、これにより燃料電池性能を低下させる。電極触媒毒の堆積物は、時間につれて蓄積するので、燃料や酸化剤流体中にある触媒毒がたとえ僅かな濃度であっても、一定レベルの電極触媒被毒を引き起こすことがある。
【０００５】
上記で述べたような、触媒毒の発生源は、多数存在する。炭化水素や、酸化炭化水素を原料とする改質流体は、一般的に、高濃度の水素燃料を含んでいるが、またそれだけではなく、一酸化炭素のような電極触媒毒を、一般的に含んでいる。それらの触媒毒が存在するので、燃料電池に使用される前に、燃料流体に前処理が行なわれる場合がある。前処理方法には、一酸化炭素を取り除く為の、触媒やその他の方法が採用される。しかし、前処理は、全ての一酸化炭素を効率的に取り除くことは出来ない。たとえ１０ｐｐｍといった微量であっても、ゆくゆくは、電極触媒の被毒の原因となりうる。
【０００６】
燃料電池内における、燃料電池の構成物、及びその他の液体流体は、また、不純物の原因となりうる。例えば、燃料電池セパレータは、通常、黒鉛で作られる。黒鉛内の有機的な不純物は、電極触媒を浸食し被毒する。反応物流体の材料が燃料電池構成品の物質と反応することで、その他の触媒毒が生成される場合がある。更に可能性が高い触媒毒の発生源は、酸化プロセスにおける中間生成物である。燃料電池は、メタノールのような複合燃料を使用しているので、これは特に重大な問題である。
【０００７】
同じように、酸化剤流体もまた、正極における電気化学的な反応を妨げる不純物を含んだり、生成したりする場合がある。これらの不純物は、正極の流体の中から発生したり、その場で生成されたり、燃料電池の別の場所で発生して、正極へ運ばれて来たりする。（例えば、燃料電池を構成するために使用される材料から発生する有機不純物、燃料流体から発生する未反応反燃料、一部反応した燃料等である）。空気が酸化剤として使用される場合、電極触媒毒になりうるものとして知られた広い範囲の、大気不純物が存在している。これらの不純物は、化合物を含んだ硫黄や、窒化酸化物等を含む場合がある。不純物の吸着や電極触媒における酸化剤は、負極における電極触媒を妨げる。電極触媒を含む白金は、高いエネルギー状態の燃料電池において、酸素と反応して水素化合物を形成し、燃料電池の反応を妨げることが知られている。
【０００８】
電極触媒被毒の問題を打開するために、幾つかの方法が開発され、試みられている。負極、又は正極は、不活性ガスでパージされる。しかし、この方法は、燃料電池の電力を一時中断させる段階を伴う。別のアプローチでは、一酸化炭素、及び被毒済みの燃料電池負極への触媒毒のそれぞれを含まない“クリーン”な燃料流体を導入する。吸着動作が可逆反応である箇所においては、平衡プロセスにより、結果として電極触媒はいくらか再生される。しかし、それらの方法は、不可逆に吸着された触媒毒については効果的ではない。更に、そのような平衡プロセスによる負極電極触媒の再生は、非常にゆっくりとしていて、その間、燃料電池は、最高性能で動作することができない
【０００９】
また、米国特許第４９１００９９号明細書（特許文献１）において、ゴッテスフィールドにより開示されているように、別のアプローチでは、低濃度の酸素を、燃料電池における燃料流体の一次側の流れへ絶えず導入する。しかし、このアプローチは、酸素流において常時酸素の損失があり、負極に望ましからぬ局所的な発熱反応があり、燃料流体が希薄である等の不利な点がある。
【００１０】
ウィルキンソンらは、米国特許第６０９６４４８号明細書（特許文献２）において、負極の電位を増加させるために、周期的に負極燃料を不足させている。これにより、電極触媒毒が酸化され、取り除かれる。ウィルキンソンは、この燃料を不足させる３つの方法を開示している：燃料を供給する一次側、及び二次側の両方のバルブを閉めることで、燃料の供給を瞬間的に中断する方法、燃料の供給において、燃料ではない流体を周期的にパルス状に導入する方法、燃料の供給を増加させず、燃料電池への電気的な負荷を瞬間的に増加させる方法である。
【００１１】
いずれの方法においても、負極で燃料が消費されるので、負極の電位は増加する。しかし、いずれの方法も、負極の電位を、直接的に制御することは出来ない。更に、トリートメント処理は、スタック部で行われるため、必然的に、スタックの性能の混乱の原因となる。
【００１２】
カルボウらによる国際公開第０１／０１５０８号パンフレット（特許文献３）では、周期的に反応物を不足させることで、電気化学燃料電池を動作させる方法、及び装置を開示している。ウィルキンソンの特許と同様に、カルボウは、燃料電池が特定の負荷に対して電力を生成している間に、燃料電池の正極部分で酸化剤を不足させる方法を開示している。
【００１３】
米国特許出願公開第２００１／００４４０４０Ａ１号明細書（特許文献４）におけるウリベと、国際公開第０１／９９２１８号パンフレット（特許文献５）におけるドノヒューの両者が開示していることによると、０．６Ｖ以下の正極電位を減少させるための出力負荷を短く周期的に増加させることで、化学吸着した正極の電極触媒の表面にＯＨ基を除去し、高い動作電圧における燃料電池の出力を増加させることができる。ドノヒューらによる特許は、正極での再生を実行するための幾つかの方法を教示している。
【００１４】
アダムスらに発行された、米国特許第６３３９３１３号明細書（特許文献６）は、１つの燃料電池に対して連結された１つの電圧源を開示している。この電圧源から出力された電流は、燃料電池の負極の電位を増加させ、電極触媒毒を除去する。更に、アダムスは、スイッチバンクに接続された制御装置を開示している。この制御装置は、スイッチバンクを制御して、燃料電池スタックの少なくとも１つの燃料電池の電流を増加させる。アダムスの特許は、燃料電池スタック内の故障した燃料電池が、電圧源によって補完、又は置換されることを開示している。
【００１５】
燃料電池は、内燃機関エンジンに取って替わる電力源として、電気的な乗り物の動力装置を含んだ様々なアプリケーションの電力源として、そして、住居の電力源として、利用されている。固体高分子形燃料電池（ＰＥＭ）は、膜・電極一体構造（ＭＥＡ）を備えており、膜・電極一体構造（ＭＥＡ）は、薄く、水素イオンが移動可能で、非導電性の、固体高分子膜の電解質を有しており、高分子膜の片側には負極、反対側には正極を有する。ＭＥＡは、一組の導電性部材の間に挟まれており、この導電性部材は、（１）負極、及び正極のそれぞれの電流を制御する役目を果たすと共に、（２）適切な複数の経路、及び／又は複数の開口部を含んでおり、これにより、燃料電池のガス状の反応物は、負極、及び正極における触媒のそれぞれの表面を流れる。複数のセルのそれぞれは、通常はまとめられ、ＰＥＭ燃料電池スタックを形成する。このまとまった燃料電池は、通常は、場合に応じて、単一のセル、或いは複数のセル（スタック）の基準として使用される。
【００１６】
ＰＥＭ燃料電池において、水素（Ｈ２）は、負極反応物（即ち、燃料）であり、酸素は、正極反応物（即ち、酸化剤）である。酸素は、純粋な形（Ｏ２）であっても、空気（Ｏ２とＮ２の混合体）であってもよい。固体高分子電解質は、通常は、ペルフルオロ化されたスルホン酸等のイオン交換樹脂から生成される。負極／正極は、通常、触媒細粒を備えており、それらは、しばしば炭素粒子に担持され、水素導電性樹脂と混合される。触媒粒子は、通常、コストのかかる貴重な金属粒子である。これらの、触媒化された電極を備えたＭＥＡは、製品として比較的高価なものであり、その損傷を防ぐために、制御された所定の条件を更に必要とする。
【００１７】
自動車や住居に適用する場合、液体燃料を使うことが望ましく、より好ましくは、炭化水素、又はメタノールのようなアルコール、或いは、燃料電池の水素源としてガソリンを使用することが望ましい。自動車のためのそれらの液体燃料は、車内に容易に保管することができ、液体燃料を供給するための全国的な設備もある。しかし、燃料電池に燃料を補充する場合、中身の水素を開放するために、それらの燃料を分離する必要がある。この分離反応は、改質器として知られる化学燃料処理装置で不均質に行われ、この場合、全ての触媒物質に熱エネルギーを与えるため、最初は水素と二酸化炭素を含んでいた改質ガスは、触媒触媒毒である一酸化炭素を微量に含んだガスへと変質する。
【００１８】
ＰＥＭ燃料電池システムでは、燃料電池内の反応は、セルと、高分子状の貴重な金属触媒構成物とが完全性を保った状態で行われる必要がある。負極、正極、及びＭＥＡ集合体における電解質積層のそれぞれは、高分子で形成されるため、それら高分子化合物の完全性、及び／又は性能のそれぞれは、過度に高い温度に曝されると低下する。
【００１９】
ＰＥＭ燃料電池システムから、最適な性能を得るためには、燃料電池スタック内で、多数の因子を制御する必要がある。良い性能を得るためには、薄膜及び電極表面で水分の平衡を制御することが支配的である。薄膜が乾燥するとセル抵抗が増加し、セル電圧の降下、及び、水和反応を妨げる悪循環を引き起こす熱の発生の原因となり、その結末として薄膜に孔が空き、燃料電池の故障を引き起こす。一方、生成時に水分が正極表面から適切に除去されないと、燃料セルは冠水し、その結果として、システム性能が低下する。同様に、触媒毒が負極と正極の表面に蓄積すると、その結果として、性能が低下する。このように、様々な因子が、一定の電流を得るために必要なセル電圧の電圧降下を引き起こし得る。ケスクラ等によって、米国特許第６４０６８０６号明細書（特許文献７）において開示されている、個別の燃料電池や燃料電池の集合体で測定した電圧に基づいて燃料電池を制御する方法は、燃料電池の電圧をモニタリングし、システムを制御する方法に関するが、電圧降下につながる因子が多数存在することから、この特許は、非効果的である。
【００２０】
従って、電極触媒被毒の問題を、既に述べたような回復作用に関連する諸問題を避けながらも解決する装置と方法とが必要とされている。本発明は、可変抵抗部を接続することを通じて、燃料電池から触媒毒を取り除くことにより、当該短所を克服しようと試みるものであり、また、可変抵抗部は、いわゆる可変負荷や、燃料電池スタックにおける複数の燃料電池セルと並列な電圧源であってよい。更に、本発明は、燃料スタック内において、複数の燃料電池のそれぞれの操作、或いは燃料電池集合体の操作を管理するために、複数の処理工程を制御するための改良された装置と診断方法とを提供する。
【００２１】
【特許文献１】米国特許第４９１００９９号明細書
【特許文献２】米国特許第６０９６４４８号明細書
【特許文献３】国際公開第０１／０１５０８号パンフレット
【特許文献４】米国特許出願公開第２００１／００４４０４０Ａ１号明細書
【特許文献５】国際公開第０１／９９２１８号パンフレット
【特許文献６】米国特許第６３３９３１３号明細書
【特許文献７】米国特許第６４０６８０６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、先行技術が直面していた諸問題を回避しながら、燃料電池スタックにおける、それぞれの燃料電池や燃料電池集合体を再生する方法、及び装置を提供する。本発明における方法、及び装置は、燃料電池の負極及び正極の触媒触媒毒を取り除く方法、及び電気分解の工程を改良する方法を提供する。本発明は、スタック内のそれぞれの燃料電池や、燃料電池集合体と並行して、可変抵抗部を制御する制御装置、又は可変電力供給装置を制御する制御装置を提供する。可変抵抗部の抵抗値の調整、又は可変電力供給装置の電圧レベルの調整は、燃料電池の電流を直接的に制御することにつながる。キルヒホッフの法則によると、燃料電池スタックが稼動中、燃料電池の電圧を下げると、燃料電池の電流が増加し、負極及び正極のそれぞれの電極触媒に堆積した触媒毒が取り除かれ、これにより、燃料電池は再生する。燃料電池内の電流が増加している間、燃料電池スタックは、ある一定の電流レベルで、稼動する。通常、セルの触媒毒を取り除くには、燃料電池の電位を、短い周期で、パルス状に変化させることが必要である。可変電力供給装置を用いた場合、燃料電池の電位を逆電位にすることができ、この電位の逆転は、所定の触媒触媒毒の除去に対して有効であることが判っている。可変抵抗部を用いた場合、燃料電池の電位の降下は、近似的に０Ｖに制限される。
【００２３】
可変抵抗部や可変電力供給により、燃料電池スタックにおける電流レベルを超えた過電流が、燃料電池を流れる。スタックにおけるそれぞれの燃料電池は、直列、又は並列に連結され、スタック性能への電極触媒毒の影響を減少させる。スタックにおける、１つ以上の燃料電池が適切に性能を発揮しない場合、これらの燃料電池の再生に優先順位がつけられ、これにより、それぞれの燃料電池は、それぞれの優先順位に応じて一つずつ処理される。再生処理は、燃料電池内の触媒触媒毒を減らすだけではなく、高分子膜の電解質への加湿、及びセル温度のそれぞれに作用し、これにより、セル性能を向上させる。
【００２４】
更に本発明は、先行技術が直面していた諸問題を回避しながら、燃料電池スタックにおける、それぞれの燃料電池や燃料電池の集合体を、置換、又は補完する方法と装置とを提供する。特定の燃料電池における触媒被毒や脱水は、そのセルの故障につながりかねない。そういったセルの故障は、スタック内で、近接、又は隣接した複数の燃料電池のそれぞれの性能に悪影響を与え、これにより、燃料電池スタックの信頼性、及び寿命の全般を減少させる。燃料電池スタックにおける、燃料電池や燃料電池集合体における不具合は、制御装置によって操作される可変電力供給装置を用いることで、補完もしくは置換されてよい。キルヒホッフの法則によると、再生処理とは対称的に、燃料電池の稼動中に通常稼動の電圧を越えて燃料電池の電圧を増加させると、燃料電池の電流は減少し、これにより、スタック電流の一部、又は全ては、可変電力供給装置へ流れる。可変電力供給装置を使用する利点は、劣化した燃料電池から利用可能なエネルギーを用いることであり、又、燃料電池の電圧が維持されることである。しかし、劣化、或いは故障した燃料電池や燃料電池集合体のそれぞれは、欠陥燃料電池と並列に可変抵抗部を連結することにより、バイパスされてもよい。この場合には、劣化したセルから利用可能なエネルギーは失われる。
【００２５】
本発明は、直面していた諸問題を診断し、燃料電池スタックの複数の処理を制御する為の、改良された装置と方法とを提供する。本発明の方法、及び装置は、燃料電池での複数の処理の範囲を限定し、これにより、燃料電池スタックの性能を最適化する。本発明は、燃料電池スタックにおけるそれぞれの燃料電池、又は、燃料電池集合体と並行して、可変抵抗部、又は可変電力供給を制御する制御装置を提供する。可変抵抗部の抵抗値の調整、又は可変電力供給装置の電圧レベルの調整は、燃料電池の電流を直接的に制御することにつながる。キルヒホッフの法則によると、燃料電池スタックが稼動中、燃料電池の電圧を下げると、燃料電池の電流が増加する。燃料電池の応答を監視することで、どの処理がセルの出力を制御しているのかを判断する方法がわかる。燃料電池が冠水している場合、セル電圧は、その時の電流パルスの性能に従って減少する。一方、負極、又は正極の触媒毒が、スタック性能を制限している場合、セル電圧は、その時の電流パルスの性能に従って増加する。
【００２６】
可変電力供給装置を使用することで、セル電位に改良された制御を行い、又、欠陥のある燃料電池に対して補完や置換を行う等の利点がある一方で、可変抵抗部を利用することで、セルの再生と置換とを行う方法が提供される。そして、可変抵抗部は、本発明における、比較的安価な実施例である。
【００２７】
高電力の品質を制御すること、特に、燃料電池スタックから出力される電圧を、ある範囲内において、高電力で品質制御することは、多くの電子装置や電子システムの動作には、欠かせない。本発明における燃料電池管理システムは、燃料電池スタックより印加された、負荷に対する電力品質を、一定の基準で与え、維持する方法を提供する。制御装置を使用することで、このシステムは、予め定められた燃料電池スタックの出力レベルを維持し、これにより、電力品質を維持する。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
即ち、本発明の第１の実施形態によると、燃料電池が稼動している間に、個別の燃料電池の操作を行う為の装置であって、燃料電池に連結される可変抵抗部と、可変抵抗部を調整する制御部とを備え、制御部は、燃料電池における電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有し、制御部は、燃料電池における電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれに基づいて可変抵抗部を調整する。
【００２９】
本発明の第２の実施形態によると、燃料電池が稼動している間に、個別の燃料電池の操作を行う為の装置であって、燃料電池に連結される可変電力供給部と、燃料電池へ印加される可変電力供給部を調整する制御部とを備え、制御部は、燃料電池における電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有し、制御部は、燃料電池における電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれに基づいて可変電力供給部を調整する。
【００３０】
本発明の第３の実施形態によると、燃料電池が稼動している間に、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有した燃料電池スタックにおける個別の燃料電池の操作を行う為の装置であって、それぞれの燃料電池の電圧レベル、及び燃料電池スタックの電圧レベルを定める為の測定手段を有する制御部と、可変抵抗値を与え、複数の燃料電池のそれぞれに連結され、制御部とそれぞれ接続される、複数の可変抵抗部と、制御部に連結される電力供給部とを備え、制御部は、特定の燃料電池における電圧レベルを変更するために可変抵抗値を調整する。
【００３１】
本発明の第４の実施形態によると、燃料電池が稼動している間に、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有した燃料電池スタックにおける個別の燃料電池の操作を行う為の装置であって、燃料電池のそれぞれの電圧レベル、及び燃料電池スタックの電圧レベルを定める為の測定手段を有する制御部と、可変電圧源を与え、複数の燃料電池のそれぞれに連結され、制御部とそれぞれ接続される複数の可変電力供給部と、制御部に連結される電力供給部とを備え、制御部は、特定の燃料電池における電圧レベルを変更するために可変電力供給部のそれぞれの電圧レベルを調整する。
【００３２】
本発明の第５の実施形態によると、燃料電池が稼動している間に、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有した燃料電池スタックにおける個別の燃料電池の操作を行う為の装置であって、燃料電池スタックの電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有する制御部と、制御部によって制御される可変抵抗部と、複数の燃料電池のそれぞれに接続され、制御部と可変抵抗部とに接続されるスイッチ手段とを備え、制御部は、特定の燃料電池における電圧レベルを、電圧レベルと電流レベルとに基づいて変更するために可変抵抗部の可変抵抗値を調整し、制御部は、スイッチに、特定の燃料電池を通る電流を増加させる。
【００３３】
本発明の第６の実施形態によると、燃料電池が稼動している間に、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有した燃料電池スタックにおける個別の燃料電池の操作を行う為の装置であって、燃料電池スタックの電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有する制御部と、制御部によって制御される可変電力供給部と、複数の燃料電池のそれぞれに接続され、制御部と可変抵抗部とに接続されるスイッチ手段とを備え、制御部は、特定の燃料電池における電圧レベルを、電圧レベルと電流レベルとに基づいて変更するために可変電力供給部の電圧レベルを調整し、制御部は、スイッチに、特定の燃料電池を通る電流を増加させる。
【００３４】
本発明の第７の実施形態によると、個別の燃料電池を再生する方法であって、可変抵抗部を燃料電池に対して連結する段階と、可変抵抗部に対して電圧源を供給する段階と、燃料電池に対して電圧レベルを測定する段階と、燃料電池に対して電流レベルを測定する段階と、段階ｃ）及び段階ｄ）において測定された電圧レベルと電流レベルとに基づいて可変抵抗部を制御する段階とを備える。
【００３５】
本発明の第８の実施形態によると、複数の燃料電池からなるスタックにおける個別の燃料電池をバイパスする方法であって、可変抵抗部を燃料電池に対して連結する段階と、可変抵抗部に対して電圧源を供給する段階と、燃料電池に対して電圧レベルを測定する段階と、段階ｃ）において測定された電圧レベルに基づいて、可変抵抗部を通る電流をバイパスするために、可変抵抗部を制御する段階とを備える。
【００３６】
本発明の第９の実施形態によると、燃料電池スタックにおける個別の燃料電池を再生する方法であって、可変電力供給部を燃料電池に対して連結する段階と、燃料電池に対して電圧レベルを供給する段階と、燃料電池の電圧レベルと、燃料スタックの電流レベルとを測定する段階と、段階ｃ）において測定された電圧レベルと電流レベルとに基づいた電圧レベルを制御する段階とを備える。
【００３７】
本発明の第１０の実施形態によると、複数の燃料電池からなるスタックにおける個別の燃料電池をバイパスする方法であって、可変電力供給部を燃料電池に対して連結する段階と、燃料電池に対して電圧レベルを供給する段階と、燃料電池の電圧レベルと、燃料スタックの電流レベルとを測定する段階と、段階ｃ）において測定された電圧レベルと電流レベルとに基づいて、燃料電池からの電流をバイパスするために電圧レベルを制御する段階とを備える。
【００３８】
本発明の第１１の実施形態によると、複数の燃料電池からなるスタックにおける個別の燃料電池を補完する方法であって、可変電力供給部を燃料電池に対して連結する段階と、燃料電池に対して電圧レベルを供給する段階と、燃料電池の電圧レベルと、燃料スタックの電流レベルとを測定する段階と、段階ｃ）において測定された電圧レベルと電流レベルとに基づいて、燃料電池からの電流を補完するために電圧レベルを制御する段階とを備える。
【００３９】
本発明の第１２の実施形態によると、燃料電池管理システムを用いて、複数の燃料電池からなるスタックにおいて、劣化した燃料電池を検出し再生する方法であって、検出するために燃料電池を選択する段階と、選択された燃料電池の電圧レベルを測定する段階と、電圧レベルを予め定められた電圧レベルと比較する段階と、電圧レベルが予め定められた電圧レベルよりも小さい場合、燃料電池を通る燃料を増加させるために、燃料電池に対する可変抵抗部を調整し、燃料電池管理システムを更新するために段階ｂ）において測定された電圧レベルを出力する段階と、電圧レベルが予め定められた電圧レベルと少なくとも等しい場合、段階ａ）から段階ｅ）までを繰り返す段階とを備える。
【００４０】
本発明の第１３の実施形態によると、燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池の複数の触媒触媒毒を検出し、燃料電池管理システムを用いて、すくなくとも２つの燃料電池のそれぞれの再生を行うための優先順位をつける方法であって、少なくとも２つの燃料電池のそれぞれの電圧レベルを測定する段階と、燃料電池スタックの電圧レベルを測定する段階と、段階ａ）で測定された電圧レベル、及び段階ｂ）で測定された電圧レベルに基づいて、少なくとも２つの燃料電池における複数の触媒触媒毒のレベルを検出する段階と、段階ｃ）で特定された複数の触媒触媒毒のレベルに基づいて、すくなくとも２つの燃料電池のそれぞれの優先順位をつける段階と、最も高い優先順位レベルに対して、最も高い優先順位レベルを有する第１の燃料電池の可変抵抗値を調整し、第１の燃料電池における複数の触媒触媒毒のレベルを更新する段階と、段階ｄ）において２つの燃料電池のそれぞれに優先順位がつけられた場合、第２の燃料電池の可変抵抗値を調整する段階と、段階ｄ）において、少なくとも２つの燃料電池に優先順位がつけられた場合、段階ｃ）から段階ｇ）までを繰り返す段階とを備える。
【００４１】
本発明の第１４の実施形態によると、燃料電池管理システムを用いて、複数の燃料電池からなるスタックにおいて、劣化した燃料電池を検出し再生する方法であって、検出するために燃料電池を選択する段階と、選択された燃料電池の電圧レベルを測定する段階と、電圧レベルを予め定められた電圧レベルと比較する段階と、電圧レベルが予め定められた電圧レベルよりも小さい場合、燃料電池を通る燃料を増加させるために、燃料電池に対して電圧レベルを印加し、燃料電池管理システムを更新するために段階ｂ）において測定された電圧レベルを出力する段階と、電圧レベルが予め定められた電圧レベルと少なくとも等しい場合、段階ａ）から段階ｅ）までを繰り返す段階とを備える。
【００４２】
本発明の第１５の実施形態によると、燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池の複数の触媒触媒毒を検出し、燃料電池管理システムを用いて、すくなくとも２つの燃料電池のそれぞれの再生を行うための優先順位をつける方法であって、少なくとも２つの燃料電池のそれぞれの電圧レベルを測定する段階と、燃料電池スタックの電圧レベルを測定する段階と、段階ａ）で測定された電圧レベル、及び段階ｂ）で測定された電圧レベルに基づいて、少なくとも２つの燃料電池における複数の触媒触媒毒のレベルを検出する段階と、段階ｃ）で特定された複数の触媒触媒毒のレベルに基づいて、すくなくとも２つの燃料電池のそれぞれの優先順位をつける段階と、最も高い優先順位レベルに対して、最も高い優先順位レベルを有する第１の燃料電池に対して電圧レベルを印加し、第１の燃料電池における複数の触媒触媒毒のレベルを更新する段階と、段階ｄ）において２つの燃料電池のそれぞれに優先順位がつけられた場合、第２の燃料電池に対して電圧レベル値を印加する段階と、段階ｄ）において、少なくとも２つの燃料電池に優先順位がつけられた場合、段階ｃ）から段階ｇ）までを繰り返す段階とを備える。
【００４３】
本発明の第１６の実施形態によると、燃料電池管理システムを用いて、複数の燃料電池よりなるスタックにおける、複数の触媒触媒毒を検出し、劣化した燃料電池を再生するための方法であって、スタック電圧レベルを測定する段階と、スタック電圧レベルを予め定められたスタック電圧レベルと比較する段階とスタック電圧レベルが予め定められたスタック電圧レベルよりも小さい場合、実行する複数の段階とを備え、複数の段階は、検出するために燃料電池を選択する段階ｃ１）と、燃料電池のセル電圧レベルを測定する段階ｃ２）と、セル電圧レベルを、予め定められたセル電圧レベル閾値と比較する段階ｃ３）と、電圧レベルが、予め定められたセル電圧レベル閾値よりも小さい場合、燃料電池に対する可変抵抗値を調整し、燃料電池管理システムを更新するための段階で測定されたセル電圧レベルを出力する段階ｃ４）と、電圧レベルが、予め定められたセル電圧レベル閾値よりも少なくとも等しい場合、段階ａ）から段階ｃ）を繰り返す段階ｃ５）とを有し、
更に、スタック電圧が少なくとも予め定められた電圧と少なくとも等しい場合、段階ａ）から段階ｄ）を繰り返す段階とを備える。
【００４４】
本発明の第１７の実施形態によると、燃料電池管理システムを用いて、複数の燃料電池よりなるスタックにおける、複数の触媒触媒毒を検出し、劣化した燃料電池を再生するための方法であって、スタック電圧レベルを測定する段階と、スタック電圧レベルを予め定められたスタック電圧レベルと比較する段階とスタック電圧レベルが予め定められたスタック電圧レベルよりも小さい場合、実行する複数の段階とを備え、複数の段階は、検出するために燃料電池を選択する段階ｃ１）と、燃料電池のセル電圧レベルを測定する段階ｃ２）と、セル電圧レベルを、予め定められたセル電圧レベル閾値と比較する段階ｃ３）と、電圧レベルが、予め定められたセル電圧レベル閾値よりも小さい場合、燃料電池に対して電圧レベルを印加し、燃料電池管理システムを更新するための段階で測定されたセル電圧レベルを出力する段階ｃ４）と、電圧レベルが、予め定められたセル電圧レベル閾値よりも少なくとも等しい場合、段階ａ）から段階ｃ）を繰り返す段階ｃ５）とを有し、
更に、スタック電圧が少なくとも予め定められた電圧と少なくとも等しい場合、段階ａ）から段階ｄ）を繰り返す段階とを備える。
【００４５】
本発明の第１８の実施形態によると、複数の燃料電池からなるスタックにおいて、燃料電池管理システムにより検出された、劣化した燃料電池をバイパスする方法であって、検出するために燃料電池を選択する段階と、選択された燃料電池の電圧レベルと、複数の燃料電池からなるスタックの電流レベルとを測定する段階と、電圧レベルを、予め定められた電圧レベル閾値と比較する段階と、電圧レベルが予め定められた電圧レベル閾値よりも小さい場合、燃料電池を通って電力供給部へと流れる電流をバイパスするために、選択された燃料電池に対する電圧レベルを増加させるための可変電力供給部を動作させ、燃料電池管理システムを更新するための段階ｂ）において測定された電圧レベルを出力する段階とを備える。
【００４６】
本発明の第１９の実施形態によると、複数の燃料電池からなるスタックにおいて、燃料電池管理システムにより検出された、劣化した燃料電池をバイパスする方法であって、検出するために燃料電池を選択する段階と、選択された燃料電池の電圧レベルと、複数の燃料電池からなるスタックの電流レベルとを測定する段階と、電圧レベルを、予め定められた電圧レベル閾値と比較する段階と、電圧レベルが予め定められた電圧レベル閾値よりも小さい場合、燃料電池を通って電力供給部へと流れる電流をバイパスするために、選択された燃料電池に対する電圧レベルを増加させるための可変電力供給部を動作させる段階とを備える。
【００４７】
本発明の第２０の実施形態によると、複数の燃料電池からなるスタックにおいて、燃料電池管理システムにより検出された、劣化した燃料電池を補完する方法であって、検出するために燃料電池を選択する段階と、選択された燃料電池の電圧レベルと、複数の燃料電池からなるスタックの電流レベルとを測定する段階と、電圧レベルを、予め定められた電圧レベル閾値と比較する段階と、電圧レベルが予め定められた電圧レベル閾値よりも小さい場合、予め定められた電圧レベル閾値と少なくとも等しい電圧レベルにまで、選択された燃料電池に対する電圧レベルを増加させるために、選択された燃料電池に対する電圧レベルを増加させるための可変電力供給部を動作させる段階とを備える。
【００４８】
本発明の第２１の実施形態によると、複数の燃料電池からなるスタックにおいて、燃料電池管理システムにより検出された、劣化した燃料電池を補完する方法であって、検出するために燃料電池を選択する段階と、選択された燃料電池の電圧レベルと、複数の燃料電池からなるスタックの電流レベルとを測定する段階と、電圧レベルを、予め定められた電圧レベル閾値と比較する段階と、電圧レベルが予め定められた電圧レベル閾値よりも小さい場合、予め定められた電圧レベル閾値と少なくとも等しい電圧レベルにまで、選択された燃料電池に対する電圧レベルを増加させるために、選択された燃料電池に対する電圧レベルを増加させるための可変電力供給部を動作させ、燃料電池管理システムを更新するための段階ｂ）において測定された電圧レベルを出力する段階と、電圧が、予め定められた電圧レベル閾値と少なくとも等しい場合、段階ａ）から段階ｃ）を繰り返す段階とを備える。
【００４９】
本発明の第２２の実施形態によると、複数の燃料電池からなるスタックにおいて、燃料電池管理システムにより検出された、劣化した燃料電池を置換する方法であって、検出するために燃料電池を選択する段階と、選択された燃料電池の電圧レベルと、複数の燃料電池からなるスタックの電流レベルとを測定する段階と、電圧レベルを、予め定められた電圧レベル閾値と比較する段階と、電圧レベルが予め定められた電圧レベル閾値よりも小さい場合、燃料電池の電流をバイパスするために、燃料電池に対する可変抵抗値を調整する段階とを備える。
【００５０】
本発明の第２３の実施形態によると、複数の燃料電池からなるスタックにおいて、燃料電池管理システムにより検出された、劣化した燃料電池を置換する方法であって、検出するために燃料電池を選択する段階と、選択された燃料電池の電圧レベルを測定する段階と、電圧レベルを、予め定められた電圧レベル閾値と比較する段階と、電圧レベルが予め定められた電圧レベル閾値よりも小さい場合、燃料電池の電流をバイパスするために、燃料電池に対する可変抵抗値を調整し、燃料電池管理システムを更新するための段階ｂ）において測定された電圧レベルを出力する段階と、電圧が、予め定められた電圧レベル閾値と少なくとも等しい場合、段階ａ）から段階ｃ）を繰り返す段階とを備える。
【００５１】
本発明の第２４の実施形態によると、燃料電池スタックは、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有し、複数の燃料電池は、複数の燃料電池の中に、少なくとも１つの燃料電池からなる燃料電池の集合体を含んでおり、燃料電池が稼動している間に、燃料電池スタックにおける個別の燃料電池の操作を行う為の装置であって、少なくとも１つの燃料電池からなる集合体における、電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有する制御部と、制御部によって制御される可変抵抗部と、複数の燃料電池のそれぞれに接続され、制御部と可変抵抗部とに接続されるスイッチ手段とを備え、制御部は、電圧レベルと電流レベルとに基づいて少なくとも１つの燃料電池からなる集合体の電圧レベルを変更するために可変抵抗部の可変抵抗値を調整し、制御部は、スイッチに、少なくとも１つの燃料電池からなる集合体における特定の燃料電池を通る電流を増加させる。
【００５２】
本発明の第２５の実施形態によると、燃料電池スタックは、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有し、複数の燃料電池は、複数の燃料電池の中に、少なくとも１つの燃料電池からなる燃料電池の集合体を含んでおり、燃料電池が稼動している間に、燃料電池スタックにおける少なくとも１つの個別の燃料電池の操作を行う為の装置であって、少なくとも１つの燃料電池からなる集合体における、電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有する制御部と、制御部によって制御される可変抵抗部と、複数の燃料電池のそれぞれに接続され、制御部と可変抵抗部とに接続されるスイッチ手段とを備え、制御部は、電圧レベルと電流レベルとに基づいて少なくとも１つの燃料電池からなる集合体の電圧レベルを調整するために可変抵抗部の可変抵抗値を調整し、制御部は、スイッチに、少なくとも１つの燃料電池からなる集合体における少なくとも２つの燃料電池を通る電流を増加させる。
【００５３】
本発明の第２６の実施形態によると、燃料電池スタックは、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有し、燃料電池が稼動している間に、燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池の操作を行う為の装置であって、燃料電池スタックの電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有する制御部と、制御部によって制御される可変抵抗部と、複数の燃料電池のそれぞれに接続され、制御部と可変抵抗部とに接続されるスイッチ手段とを備え、制御部は、少なくとも２つの燃料電池のそれぞれにおける燃料電池電圧レベルを、電圧レベルと電流レベルとに基づいて変更するために可変抵抗部の可変抵抗値を調整し、制御部は、スイッチに、少なくとも２つの燃料電池を通る電流を、同時に増加させる。
【００５４】
本発明の第２７の実施形態によると、燃料電池スタックは、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有し、燃料電池が稼動している間に、燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池の操作を行う為の装置であって、燃料電池スタックの電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有する制御部と、制御部によって制御される可変抵抗部と、複数の燃料電池のそれぞれに接続され、制御部と可変抵抗部とに接続されるスイッチ手段とを備え、制御部は、少なくとも２つの燃料電池のそれぞれにおける燃料電池電圧レベルを、電圧レベルと電流レベルとに基づいて、個別に変更するために複数の可変抵抗部における少なくとも２つの可変抵抗部に対応した、少なくとも２つの可変抵抗部の可変抵抗値を調整し、制御部は、スイッチに、少なくとも２つの燃料電池を通る電流を、同時に増加させる。
【００５５】
本発明の第２８の実施形態によると、燃料電池スタックは、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有し、複数の燃料電池は、複数の燃料電池の中に、少なくとも１つの燃料電池からなる燃料電池の集合体を含んでおり、燃料電池が稼動している間に、燃料電池スタックにおける個別の燃料電池の操作を行う為の装置であって、少なくとも１つの燃料電池からなる集合体における、燃料電池電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有する制御部と、制御部によって制御される可変電力供給部と、複数の燃料電池のそれぞれに接続され、制御部と可変電力供給部とに接続されるスイッチ手段とを備え、制御部は、電圧レベルと電流レベルとに基づいて少なくとも１つの燃料電池からなる集合体の電圧レベルを変更するために可変電力供給部の電力供給電圧レベルを調整し、制御部は、スイッチに、少なくとも１つの燃料電池からなる集合体における特定の燃料電池を通る電流を、増加させる。
【００５６】
本発明の第２９の実施形態によると、燃料電池スタックは、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有し、複数の燃料電池は、複数の燃料電池の中に、少なくとも１つの燃料電池からなる燃料電池の集合体を含んでおり、燃料電池が稼動している間に、燃料電池スタックにおける少なくとも１つの個別の燃料電池の操作を行う為の装置であって、少なくとも１つの燃料電池からなる集合体における、燃料電池電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有する制御部と、制御部によって制御される可変電力供給部と、複数の燃料電池のそれぞれに接続され、制御部と可変電力供給部とに接続されるスイッチ手段とを備え、制御部は、電圧レベルと電流レベルとに基づいて少なくとも１つの燃料電池からなる集合体の電圧レベルを変更するために可変電力供給部の電力供給電圧レベルを調整し、制御部は、スイッチに、少なくとも１つの燃料電池からなる集合体における特定の燃料電池を通る電流を増加させる。
【００５７】
本発明の第３０の実施形態によると、燃料電池スタックは、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有し、燃料電池が稼動している間に、燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池の操作を行う為の装置であって、燃料電池スタックの燃料電池電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有する制御部と、制御部によって制御される可変電力供給部と、複数の燃料電池のそれぞれに接続され、制御部と可変電力供給手段とに接続されるスイッチ手段とを備え、制御部は、少なくとも２つの燃料電池のそれぞれにおける燃料電池電圧レベルを、電圧レベルと電流レベルとに基づいて変更するために可変電力供給部の電力供給電圧レベルを調整し、制御部は、スイッチに、少なくとも２つの燃料電池を通る電流を、同時に増加させる。
【００５８】
本発明の第３１の実施形態によると、燃料電池スタックは、互いに直列に連結された複数の燃料電池を有し、燃料電池が稼動している間に、燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池の操作を行う為の装置であって、少なくとも２つの燃料電池の燃料電圧と、燃料電池スタックの電流レベルとを定める為の測定手段を有する制御部と、制御部によって制御される複数の可変電力供給部と、複数の燃料電池のそれぞれに接続され、制御部と複数の可変電力供給手段とに接続されるスイッチ手段とを備え、制御部は、少なくとも２つの燃料電池のそれぞれにおける燃料電池電圧レベルを、電圧レベルと電流レベルとに基づいて個別に変更するために、複数の可変電力供給部における、少なくとも２つの可変電力供給部に対応した、少なくとも２つの可変電力供電圧レベルを調整し、制御部は、スイッチに、少なくとも２つの燃料電池を通る電流を、同時に増加させる。
【００５９】
本発明の第３２の実施形態によると、燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池の複数の触媒触媒毒を検出し、燃料電池管理システムを用いて、すくなくとも２つの燃料電池のそれぞれの再生を行うための優先順位をつける方法であって、少なくとも２つの燃料電池のそれぞれの燃料電池電圧レベルを測定する段階と、燃料電池スタックのスタック電圧レベルを測定する段階と、段階ａ）で測定された燃料電池電圧レベル、及び段階ｂ）で測定されたスタック電圧レベルのそれぞれに基づいて、少なくとも２つの燃料電池における複数の触媒触媒毒のレベルを検出する段階と、段階ｃ）で特定された複数の触媒触媒毒のレベルに基づいて、すくなくとも２つの燃料電池のそれぞれの優先順位をつける段階と、所定の優先順位レベルに対して、少なくとも２つの燃料電池において、少なくとも１つの燃料電池に対応する燃料電池電圧を、少なくとも１つの燃料電池に対してパルスを印加することによって、調整する段階とを備え、パルスは、少なくとも１つのパラメータで定義され、少なくとも１つのパラメータは、複数の触媒物質のレベルに基づいて決定されていることを特徴とする。
【００６０】
本発明の第３３の実施形態によると、燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池からなる集合体における複数の触媒触媒毒を検出し、燃料電池管理システムを用いて、すくなくとも２つの燃料電池からなる集合体の再生を行うための優先順位をつける方法であって、少なくとも２つの燃料電池からなる集合体の燃料電池電圧レベルを測定する段階と、燃料電池スタックのスタック電圧レベルを測定する段階と、段階ａ）で測定された燃料電池電圧レベル、及び電流レベルと、段階ｂ）で測定されたスタック電圧レベル、及び燃料電池電圧レベルとに基づいて、少なくとも２つの燃料電池からなる集合体における複数の触媒触媒毒のレベルを検出する段階と、すくなくとも２つの燃料電池からなる集合体に対して接続された抵抗手段の可変抵抗値を調整する段階とを備える。
【００６１】
本発明の第３４の実施形態によると、燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池からなる集合体における複数の触媒触媒毒を検出し、燃料電池管理システムを用いて、すくなくとも２つの燃料電池からなる集合体の再生を行うための優先順位をつける方法であって、少なくとも２つの燃料電池からなる集合体の燃料電池電圧レベルを測定する段階と、燃料電池スタックのスタック電圧レベルを測定する段階と、段階ａ）で測定された燃料電池電圧レベルと、段階ｂ）で測定されたスタック電圧レベル、及び燃料電池電圧レベルとに基づいて、少なくとも２つの燃料電池からなる集合体における複数の触媒触媒毒のレベルを検出する段階と、抵抗手段を通る電流をバイパスするために、すくなくとも２つの燃料電池からなる集合体に対して接続された抵抗手段の可変抵抗値を調整する段階とを備える。
【００６２】
本発明の第３５の実施形態によると、燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池からなる集合体における複数の触媒触媒毒を検出し、燃料電池管理システムを用いて、すくなくとも２つの燃料電池からなる集合体の再生を行うための優先順位をつける方法であって、少なくとも２つの燃料電池からなる集合体の燃料電池電圧レベルを測定する段階と、燃料電池スタックのスタック電圧レベルを測定する段階と、段階ａ）で測定された燃料電池電圧レベルと、段階ｂ）で測定されたスタック電圧レベル、及び燃料電池電圧レベルとに基づいて、少なくとも２つの燃料電池からなる集合体における複数の触媒触媒毒のレベルを検出する段階と、少なくとも２つの燃料電池からなる集合体に対してパルスを印加することにより、少なくとも２つの燃料電池からなる集合体に対して印加された電圧レベルを調整する段階とを備え、パルスは、少なくとも１つのパラメータで定義され、少なくとも１つのパラメータは、複数の触媒物質のレベルに基づいて決定される。
【００６３】
本発明の第３６の実施形態によると、燃料電池が稼動している間に、少なくとも２つの燃料電池を再生する為の装置であって、すくなくとも２つの燃料電池へと連結される可変抵抗部と、可変抵抗部を調整する制御部とを備え、制御部は、少なくとも２つの燃料電池における電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有し、制御部は、少なくとも２つの燃料電池における電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれに基づいて可変抵抗部を調整し、制御部は、電力供給部から電力を受け取る。
【００６４】
本発明の第３７の実施形態によると、燃料電池が稼動している間に、少なくとも２つの燃料電池を再生する為の装置であって、すくなくとも２つの燃料電池へと連結される可変電力供給部と、すくなくとも２つの燃料電池へと割当てられた可変電力供給部を調整する制御部とを備え、制御部は、燃料電池における電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有し、制御部は、少なくとも２つの燃料電池における電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれに基づいて可変電力供給部を調整し、制御部は、可変電力供給部から電力を受け取る。
【００６５】
本発明の第３８の実施形態によると、燃料電池スタックにおける燃料電池が稼動している間に、個別の燃料電池の操作を行う為の装置であって、燃料電池へと連結される可変抵抗部と、可変抵抗部を調整する制御部とを備え、制御部は、燃料電池スタックにおける燃料電池電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有し、制御部は、燃料電池における電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれに基づいて可変抵抗部を調整し、制御部は、燃料電池の中における複数の処理の範囲を決定し、これにより燃料電池スタックにおける性能レベルを最適化する手段を更に有する。
【００６６】
本発明の第３９の実施形態によると、燃料電池スタックにおける燃料電池が稼動している間に、個別の燃料電池の操作を行う為の装置であって、燃料電池へと連結される可変電力供給と、可変抵抗部を調整する制御部とを備え、制御部は、燃料電池スタックにおける燃料電池電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれを定める為の測定手段を有し、制御部は、燃料電池における電圧レベル、及び電流レベルのそれぞれに基づいて電圧レベルを変更するために、可変電力供給部の可変電力電圧レベルを調整し、制御部は、燃料電池の中における複数の処理の範囲を決定し、これにより燃料電池スタックにおける性能レベルを最適化する手段を更に有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６７】
以下、本発明は、複数の実施形態にのみ関係した実施例を示すために記述される。図面を用いて以下に述べる説明から、本発明に係るその他の目的、及び有利な実施例が、本発明により成されることは明らかである。また、より好ましい実施形態が開示されているが、実施形態に限定されるものではない。より正確に言うと、原則的には、開示された内容は、本発明の範囲を単に説明するためのものであり、本発明の範囲において、更なる多数の変更がなされてよいと解される。
【００６８】
本発明は、主に、燃料電池スタックにおける燃料電池のそれぞれを再生することに関する。しかし、本発明の方法及び装置は、燃料電池スタックにおける燃料電池集合体へと適用してもよいように、本発明は燃料電池の再生には限定されない。コストに関する経済的な要因のため、燃料電池スタックにおける燃料電池集合体で再生を行うことが必要とされており、言いかえると、燃料電池健全性管理システムを実施する為のコストを削減するために要求される構成物の数を削減することが必要とされている。
【００６９】
図１は、本発明に係る燃料電池管理システム５のブロック図の一例を示す。第一の実施形態において、燃料電池管理システム５は、可変抵抗部１０と、燃料電池３０と連結した制御部２０とを備える。燃料電池３０は、負荷３５と接続され、負荷３５へ電力を供給する。また、制御部２０は、抵抗値を制御するために、可変抵抗部１０へ接続される。電力供給部４０は、制御部２０に接続される。電力供給部４０は、直流（ＤＣ）部を有し、供給電力を絶えず制御しており、電力供給部４０は、いかなる種類の電力供給装置を電源としてもよく、独立した燃料電池を電源としてもよい。
【００７０】
本発明によれば、可変抵抗部１０は、有限の周期の間に、燃料電池電圧を、予め定められた閾値レベルまで減少させるために用いられる。制御部２０は、燃料電池３０の電圧レベルを測定する。この測定結果が、予め定められた閾値レベルを下回った場合、セル被毒が発生していると判断され、燃料電池の再生が開始される。制御部２０は、有限の周期の間に、燃料電池３０に対して電圧レベルを下げるために、可変抵抗部１０の値を調節する。可変抵抗部１０の値を調節することで、可変抵抗部１０を流れる電流、及び燃料電池３０の電流のそれぞれは、増加する。電流レベルが増加することにより、燃料電池３０の電圧レベルが結果として減少する。この電圧レベルの減少は、燃料電池３０からの触媒毒の除去／酸化の原因となる。降下した電圧レベルは、燃料電池１０において必要とされる予め定められた周期で、制御部により維持される。
【００７１】
再生処理は、燃料電池に付いた触媒毒を除去し、また、再生処理は、高分子膜への加湿、及びセル温度のそれぞれに作用してよく、これにより、燃料電池３０の性能を改善する。再生処理が成功すると、燃料電池は、予め定められた閾値よりも高い電圧で再び動作するようになる。再生処理済みの燃料電池３０は、必要な電力レベルを負荷３５へ供給する。
【００７２】
再生処理は、燃料電池３０の一回の調整が、１サイクル、つまり有限の周期において行なわれるが、付加的な複数のサイクルをかけて、行われてもよい。必要なサイクル数を決定するため、制御部２０は、第１のサイクルの後、燃料電池３０の電圧レベルを測定する。そして、電圧レベルが、所定の閾値より低い場合、制御部２０は、必要に応じて、一回以上のサイクルをかけて、可変抵抗部１０を調整する。付加的な複数のサイクルのそれぞれについて、電流が可変抵抗部１０を通じて増加させられる時間周期の調整が必要となる。この周期は、その直前のサイクルで到達した燃料電池の再生のレベルに応じて、定められる。
【００７３】
図２（ａ）は、燃料電池スタック１２５のための燃料電池管理システム１００のブロック図の一例を示す。燃料電池管理システム１００は、制御部２０、及び、燃料電池スタック１２５において燃料電池セル１、セル２・・・、セルＮと接続される可変抵抗部ＶＲ１、ＶＲ２・・・、ＶＲＮを備える。それぞれの可変抵抗部ＶＲ１、ＶＲ２・・・、ＶＲＮは、燃料電池セル１、セル２・・・、セルＮとそれぞれ連結される。制御部２０は、可変抵抗部ＶＲ１、ＶＲ２・・・、ＶＲＮのそれぞれと接続される。制御部２０は、可変抵抗部ＶＲ１、ＶＲ２・・・、ＶＲＮにおける、それぞれの可変抵抗値を制御する。制御部２０は、更に、燃料電池セル１、セル２・・・、セルＮのそれぞれと接続される。制御部２０と燃料電池セル１、セル２・・・、セルＮのそれぞれを接続することで、制御部は、燃料電池セル１、セル２・・・、セルＮのそれぞれの電圧レベルと、燃料電池スタック１２５の電圧レベルとを、それぞれ測定することができる。燃料電池スタック１２５は、負荷３５へ電力を供給するために、負荷３５に接続されてよい。独立した電力供給部４０は、制御部２０に電力を与える。また、電力供給部４０は、制御部２０へ電力を与えるために、燃料電池スタック１２５から電力を得てもよい。
【００７４】
本発明において、可変抵抗部ＶＲ１、ＶＲ２・・・、ＶＲＮは、燃料電池セル１、セル２・・・、セルＮの電流を、有限の周期の間で、予め定められた閾値レベルにまで増加させるために用いられる。制御部２０は、燃料電池スタック１２５の電圧レベル、及び電流レベルを測定する。制御部２０は、スタックの測定に加えて、燃料電池スタック１２５内の燃料電池セル１、セル２・・・、セルＮの電圧レベルを測定する。制御部２０は、スタック内のどのセルが被毒しているかを判断するために、燃料電池セル１、セル２・・・、セルＮにおいて測定された電圧レベルを活用する。その場合、制御部２０は、測定された電圧レベル、又はその他の予め優先順位が定められた尺度に基づいて、燃料電池セル１、セル２・・・、セルＮを再生処理する優先順位を設定する。制御部２０は、その燃料電池を、最も高い優先順位で選択し、対応する可変抵抗部の抵抗を調整する。燃料電池において結果として生じる電圧レベルの降下により、被毒した燃料電池から、触媒毒の除去／酸化が行われる。そして、制御部は、上記と同じ再生処理工程を用いて、次に最も高い優先順位を持つ燃料電池の“再生処理”を、燃料電池スタック全体の再生が完了するまで、次々と続ける。それぞれの燃料電池が再生されると、制御部は、絶えず優先順位のレベルの状態を最新のものに更新しているために、これらの優先順位には、再び順位が付けられる。
【００７５】
燃料電池スタックにおいて、１つ以上の燃料電池の再生処理が不可能である場合、制御部２０は、劣化した、又は故障したセルの電流をバイパスするために、可変抵抗部を最小にし、これにより、燃料電池スタック全体の故障を回避し、燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。
【００７６】
被毒した燃料電池、又は燃料電池集合体のそれぞれに関連した優先順位レベルを決めるために、多数の基準が存在する。電圧レベルを測定した後の第１の基準は、制御部によって測定される個別の燃料電池、及び燃料電池スタックのそれぞれにおける電圧、又は電流レベルに基づいてよい。燃料電池が、徐々に被毒すると、燃料電池電圧は降下し、その結果として、スタック電圧は降下する。この場合、それぞれのセルや電池集合体に関連した優先順位は、専ら、電圧の降下に基づいてよい。再生における最適な時間、及び周期のそれぞれは、被毒した燃料電池に対する燃料電池の優先順位と関連して決定されてよい。
【００７７】
他の基準は、燃料電池内の燃料、及び酸化剤のそれぞれのガスの純度レベルを判定するためのセンサを使用してよい。それらのガスセンサは、それぞれの燃料電池へと接続され、連続的、又は間欠的に、燃料電池を被毒する不純ガスの種類を識別する。センサにより検出されたガスの種類に基づいて、制御部は、被毒したセルを再生するために必要な電圧、及びパルスの長さを決める。更なる基準は、所定の期間において燃料電池スタックで生成されるエネルギー総量であってよい。再生処理は、燃料電池スタックが生成するエネルギー総量が、予め定められた閾値に達した時に、開始される。同様にして、再生処理が、それぞれの燃料電池に必要であるかどうかを確かめるために、燃料電池や、燃料電池集合体で生成されたエネルギーが、測定されてよい。そして、スタック内で測定された複数の燃料電池によって生成されたエネルギーに基づいて、優先順位が決められる。
【００７８】
図２（ｂ）は、燃料電池スタックにおける複数の燃料電池に接続された、複数の抵抗部、及び制御部２０のブロック図の一例を示す。図２（ｂ）は、可変抵抗部が燃料電池集合体に接続されるという点で、図２（ａ）とは異なる。燃料電池管理システム１００の他の例は、可変抵抗部ＶＲ１、ＶＲ２・・・、ＶＲＮ、及び、燃料電池スタック１２５の中の隣接した２つ以上の燃料電池より成る集合体１、集合体２、・・・集合体Ｎに接続される制御部２０により構成される。可変抵抗部ＶＲ１、ＶＲ２・・・、ＶＲＮのそれぞれは、燃料電池の集合体１、集合体２、・・・集合体Ｎに接続される。制御部２０は、抵抗部ＶＲ１、ＶＲ２・・・、ＶＲＮのそれぞれに接続される。制御部２０は、可変抵抗部ＶＲ１、ＶＲ２・・・、ＶＲＮにおける、それぞれの可変抵抗値を制御する。制御部２０は、更に、複数の燃料電池の集合体である、集合体１、集合体２、・・・集合体Ｎのそれぞれと接続される。制御部２０と、燃料電池集合体１、集合体２、・・・集合体Ｎのそれぞれとを接続することで、制御部２０は、燃料電池集合体１、集合体２、・・・集合体Ｎのそれぞれの電圧レベル、及び燃料電池スタック１２５の電圧レベルを、個別に測定することができる。燃料電池スタック１２５は、負荷３５へ電力を供給するために、負荷３５に接続されてよい。独立した電力供給部４０は、制御部２０に電力を与える。また、電力供給部４０は、制御部２０へ電力を与えるために、燃料電池スタック１２５から電力を得てもよい。それぞれの被毒した燃料電池に関連した優先順位を決定する基準に関しては、同様の基準が、複数の燃料電池集合体に適用されてよい。
【００７９】
図３は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池管理システム１５０のブロック図の一例を示す。本実施形態において、燃料電池管理システム１５０は、抵抗部としての金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）１７０、及び、制御部２０を利用し、これらは、一の燃料電池３０とそれぞれ接続される。ドレイン１７０Ｄ、及びソース１７０Ｓは、燃料電池３０と接続される。制御部２０は、ＭＯＳＦＥＴ１７０における可変抵抗部を制御するために、ＭＯＳＦＥＴ１７０におけるゲート１７０Ｇと接続される。制御部２０は、電力供給部４０より電力を受け取る。
【００８０】
前に述べたように、有限の周期で、燃料電池の電圧レベルを予め定められた閾値レベルへと減少させることにより、燃料電池は再生する。本実施形態において、ＭＯＳＦＥＴ１７０は、燃料電池３０の電圧を下げるために用いられる。制御部２０は、燃料電池３０の電圧を測定し、この測定値が、予め定められた閾値以下であるかどうかを判定する。燃料電池に関して測定された電圧が、予め定められた閾値以下であると判定された場合、セルは被毒していたと判断され、燃料電池３０の再生が必要となる。前に述べたように、被毒は、燃料電池３０における負極部分、又は正極部分で発生する。ＭＯＳＦＥＴを、可変抵抗部として使用することで、制御部２０は、検出された触媒毒を燃料電池３０から除去する。負極部分が被毒している場合、制御部２０は、蓄積した触媒毒を除去するために、燃料電池３０の負極部分の電圧を下げ続ける。制御部２０は、ゲート電圧を調整することで、ＭＯＳＦＥＴ１７０における抵抗値を下げる。これにより、ＭＯＳＦＥＴ１７０を、燃料電池３０の電圧を制御すべき電圧降下を備えた可変抵抗部として動作させることができる。制御部２０は、燃料電池３０における電圧レベルと等しくなるまでドレイン電圧を順々に調整するために、ＭＯＳＦＥＴ２０のゲート電圧を調整する。この調整は、燃料電池３０の電圧が、燃料電池３０における触媒毒を除去／酸化させるレベルに到達するまで、行われる。再生処理が成功した場合、その燃料電池は、予め定められた閾値を以上の動作電圧レベルを供給する。制御部２０は、ＭＯＳＦＥＴ１７０における抵抗部が、稼動中の燃料電池に最も影響を与えなくなるまで、ＭＯＳＦＥＴ１７０のゲート電圧を調整する。この再生処理により、燃料電池は、負荷３５に対して最大の電力を与えることができる。
【００８１】
図４（ａ）は、本発明に係る他の実施形態における燃料電池管理システム１７１のブロック図の一例を示す。燃料電池管理システム１７１は、制御部２０、電力供給部４０、可変抵抗部１７３、及びスイッチ１７５から構成される。図４における燃料電池管理システムは、図２において、燃料電池スタック１２５におけるそれぞれの燃料電池に対して必要とされた可変抵抗部の数を、スイッチ１７５を用いることで、削減する。スイッチ１７５は、燃料電池スタック１２５内の燃料電池セル１、セル２・・・、セルＮのそれぞれと接続される。制御部２０は、可変抵抗部１７３の値を調整する。制御部２０は、燃料電池セル１、セル２・・・、セルＮのそれぞれと、燃料電池スタック１２５とに接続され、スイッチ１７５を制御する。燃料電池セル１、セル２・・・、セルＮのそれぞれにおいて測定された電流、及び電圧と、燃料電池スタック１２５において測定された電圧、及び電流とに基づいて、制御部２０は、可変抵抗部１７３を切り替える。制御部２０は、スイッチ部１７３を用いて、可変抵抗部１７３の電流を増加させることができる。制御部２０は、電力供給部４０から電力を受け取る。また、電力供給部は、必要であれば、燃料電池スタック１２５から電力を受け取ってよい。燃料電池スタック１２５において１つ以上の燃料電池の再生処理が不可能である場合、制御部２０は、劣化、又は故障したセルを避けて電流をバイパスするために、可変抵抗部１７３を欠陥のあるセルへ接続し、可変抵抗部を最小にしてよく、これにより、燃料電池スタック１２５全体の故障を回避し、燃料電池管理システム１７１の信頼性を向上させることができる。また、他の実施形態においては、前に述べたように、隣接した少なくとも２つの燃料電池からなる集合体へ、再生処理を適用してよい。
【００８２】
図４（ｂ）は、可変電力供給部１７４が燃料電池管理システム１７６におけるスイッチ１７５に接続されるという点で、図４（ａ）とは異なる。更に、制御部２０と接続された電力供給部４０は、破線で記されている。この破線は、可変電力供給部１７４が、燃料電池管理システム１７６において、唯一の電力供給装置として機能してよいことを示している。尚、この可変電力供給部は、好ましくは二極性であるが、その型の電力供給装置には限定されない。
【００８３】
図５は、本発明に係る燃料電池管理システム１８０のブロック図の一例を示す。燃料電池管理システム１８０は、制御部２０、及び可変電力供給部１８５から構成される。制御部２０は、可変電力供給部１８５に接続される。単一の燃料電池３０からの触媒毒を除去するために、制御部２０は、可変電力供給部１８５の出力電圧を調整する。この出力電圧は、燃料電池に適用され、燃料電池３０を再生する手段を与える。燃料電池３０を再生する場合、制御部２０は、可変電力供給部１８５の出力電圧を開放する。
【００８４】
図６（ａ）は、本発明に係る更なる実施形態の燃料電池管理システム１９０のブロック図の一例を示す。燃料電池管理システム１９０は、制御部２０、及び可変電力供給部ＰＳ１、ＰＳ２・・・、ＰＳＮから構成される。制御部２０は、可変電力供給部ＰＳ１、ＰＳ２・・・、ＰＳＮのそれぞれを用いて、燃料電池スタック１２５における燃料電池セル１、セル２・・・、セルＮのそれぞれを、連続又は並列に再生する。可変電力供給部ＰＳ１、ＰＳ２・・・、ＰＳＮのそれぞれは、制御部２０で調整された出力電圧を出力する。燃料電池スタック１２５において、１つ以上の燃料電池の再生処理が不可能である場合、制御部２０は、劣化、又は故障したセルの電流の一部、又は全てをバイパスするために、可変電力供給部を欠陥セルへ接続し、電力供給を調整することができ、これにより、燃料電池スタック１２５全体の故障を回避し、燃料電池管理システム１７１の信頼性を向上させ、燃料電池スタック全体の出力を最大とすることができる。他の実施形態においては、前に述べたように、上記の処理は、隣接した少なくとも２つの燃料電池からなる集合体へ適用されてよい。
【００８５】
図６（ｂ）は、図６（ａ）における燃料電池管理システムに類似した燃料電池管理システムのブロック図の一例を示す。図６（ｂ）において、可変電力供給部のそれぞれは、燃料電池スタックにおけるそれぞれの燃料電池集合体に、接続される。図６（ｂ）における実施例によると、燃料電池集合体は、３つの燃料電池から構成される。１つの燃料電池集合体での燃料電池の個数は、設計上の制約により異なってよく、燃料電池集合体が、2つの燃料電池から構成されてもよいし、燃料電池スタック１２５における燃料電池の数に基づいた有利な個数で構成されてもよいことは、当業者にとって明らかである。
【００８６】
図７（ａ）は、電圧レベルに基づき劣化したとみなされた、燃料電池スタックの被毒した燃料電池を、検出して再生する詳細なステップを示すフローチャートである。Ｓ２００Ａにおいて処理が開始され、Ｓ２１０Ａにおいて、それぞれのセル電圧と、燃料電池スタックにおける電流レベルとを読み出す。次に、Ｓ２２０Ａは、燃料電池電圧が、燃料電池スタックにおける電流レベルの一部分に基づいて、予め定められた閾値を下回っているかを判定する。燃料電池電圧が、その閾値よりも大きいか、又は等しい場合、処理はＳ２１０Ａへ戻り、スタック内の次の燃料電池の電圧の値を読み出す。燃料電池電圧が、閾値を下回ると判断された場合、次のＳ２３５Ａにおいて、制御部は、そのセルが再生中であるかを判定する。そして、再生が開始されていた場合、処理はＳ２１０Ａへ戻り、スタック内の次の燃料電池の電圧の値を読み出す。尚、燃料電池管理は、燃料電池、及び燃料電池スタックのそれぞれにおける電圧、及び電流のそれぞれのレベルを、絶えず個別に監視してもよい。Ｓ２３０Ａでの判定により、そのセルには再生が必要である場合、そのセルが再生されてよいか、そのセルは可変抵抗部を用いることでバイパスされるべきか、を判断する必要がある。次のＳ２３５Ａにおいて、セルにバイパスが必要である場合、処理は、Ｓ２１０Ａへと戻り、燃料電池をバイパスするために制御部が必要とする処理が実行される。セルが、再生及びバイパスのいずれも必要ではない場合、次のＳ２４０Ａは、特定のセルに配置された可変抵抗部の抵抗を最小にする。次のＳ２５０Ａにおいて、劣化したセルのステータスは、制御部、又はその他のユーザインタフェースへと送信される。ユーザインタフェースは、劣化したセルが存在していること、及び再生の処理が開始されていることを、装置の操作者に警告するために用いられる。
【００８７】
図７（ｂ）は、電圧レベルに基づいて劣化したとみなされた、燃料電池スタック内の被毒した燃料電池を、検出して再生する詳細なステップを示すフローチャートである。図７（ｂ）は、可変電力部が、可変抵抗部の代わりに用いられているという点で、図７（ａ）と異なる。燃料電池の電圧レベルを増加させるための電力供給により、燃料電池はバイパス、又は補完されると言う点で、可変電力供給部を用いることは、有利である。Ｓ２００Ｂにおいて処理が開始され、Ｓ２１０Ｂにおいて、それぞれのセル電圧と、燃料電池スタックにおける電流レベルとを読み出す。次に、Ｓ２２０Ｂは、燃料電池電圧が、燃料電池スタックにおける電流レベルの一部分に基づいて予め定められた閾値を下回っているかを判定する。燃料電池電圧が、その閾値よりも大きいか、又は等しい場合、処理はＳ２１０Ｂへ戻り、スタック内の次の燃料電池の電圧の値を読み出す。燃料電池電圧が、閾値を下回ると判断された場合、次のＳ２３５Ｂにおいて、制御部は、そのセルが再生中であるかを判定する。そして、再生が開始されていた場合、処理はＳ２１０Ｂへ戻り、スタック内の次の燃料電池の電圧の値を読み出す。尚、燃料電池管理は、燃料電池と燃料電池スタックにおける電圧、及び電流のそれぞれのレベルを、絶えず個別に監視してもよい。Ｓ２３０Ｂでの判定により、そのセルに再生が必要である場合、そのセルが再生されてよいか、そのセルは可変電力部を用いることでバイパスされ、或いは、補完されるべきか、を判断する必要がある。次のＳ２３５Ｂにおいて、セルにバイパス、又は補完が必要である場合、処理はＳ２１０Ｂへと戻り、燃料電池をバイパス、又は補完するために制御部が必要とする処理が実行される。セルが、再生、及びバイパスのいずれも必要ではない場合、次のＳ２４０Ｂは、特定のセルに配置された可変電力部の電圧レベルを調整する。次のＳ２５０Ｂにおいて、劣化したセルのステータスは、制御部、又はその他のユーザインタフェースへと送信される。ユーザインタフェースは、劣化したセルが存在していること、及び再生の処理が開始されていることを、装置の操作者に警告するために用いられる。
【００８８】
図８は、本発明に係る燃料電池管理システムにおいて、燃料電池スタックにおける一つ以上の燃料電池の触媒触媒毒を検知し、それらの燃料電池を再生する優先順位をつけるそれぞれの工程のステップの詳細についてのフローチャートである。Ｓ３００で処理が開始され、Ｓ３１０で、燃料電池スタックにおけるそれぞれの燃料電池の燃料電池電圧が、スタック電圧と共に読み出される。燃料電池電圧とスタック電圧のそれぞれを予め定められた閾値と比較し、Ｓ３２０は、一つ以上の燃料電池が被毒しているかを判断する。燃料電池が被毒していない場合、処理はＳ３１０へ戻り、新しい燃料電池電圧を、スタック電圧と共に、同様に読み出す。スタック内で、１つ以上の燃料電池が被毒している場合、Ｓ３３０へ進む。Ｓ３３０において、それぞれの燃料電池には、先に説明した予め定められた基準に基づいて、優先順位が付けられる。１つの燃料電池が被毒している場合、その燃料電池は、自動的に次のＳ３４０で再生される。しかし、２つ以上の燃料電池が被毒している場合は、最も高い優先順位の燃料電池が、Ｓ３４０で再生される。Ｓ３４０の後に、処理はＳ３１０へ戻り、連続的、又は間欠的に、燃料電池電圧及びスタック電圧を測定する。図７及び図８の処理は、必要ではないと判断されるか、又は燃料電池スタックが稼動中ではなくなるまで、制御部によって繰り返される。
【００８９】
図９（ａ）は、可変抵抗部を利用した燃料電池スタックの電力品質を監視する処理のステップの詳細を示したフローチャートである。Ｓ４００Ａで処理が開始され、次のＳ４１０Ａにおいて、制御部は、燃料電池スタックの電圧、及び電流を読み出す。Ｓ４２０Ａにおいて、燃料電池は、スタック電圧が予め定められた電力品質機能の電圧レベルを上回っているかを判断する。スタック電圧が予め定められた電圧レベルを上回っている場合、処理はＳ４１０Ａへ戻る。スタック電圧が、予め定められた電圧レベルを下回っている場合、処理はＳ４３０Ａへと続き、制御部は、それぞれの燃料電池電圧を読み出す。次のＳ４４０Ａでは、その燃料電池の電圧が、予め定められた電圧レベルを下回っているかを判断する。燃料電池電圧が、予め定められた電圧レベルを上回っているか、又は等しい場合、処理はＳ４１０Ａへ戻り、スタック内の次の燃料電池の電圧の値を読み出す。燃料電池電圧が、予め定められた電圧レベルを下回っている場合、次のＳ４５０Ａにおいて、制御部は、そのセルが再生中であるかを判定する。既にセルの再生が開始されている場合、処理はＳ４１０Ａへ戻り、スタック内の次の燃料電池電圧を読み出す。セルの再生がなされていない場合、次のＳ４６０Ａにおいて燃料電池の再生を開始し、特定の燃料電池に対応した可変抵抗部を最小化する。Ｓ４７０Ａにおいて、劣化セルのステータスは、制御部、又は他のユーザインタフェースへ送信される。図９の処理によると、燃料電池スタックにおける電力品質を維持するために、必要とされるだけの個数の燃料電池が、再生される。
【００９０】
図９（ｂ）は、燃料電池スタックの電量品質機能の監視方法の詳細なフローチャートの一例であり、この方法は、可変電力供給部を利用する点で、図９（ａ）と異なる。Ｓ４００Ｂで処理が開始され、次のＳ４１０Ｂにおいて、制御部は、燃料電池スタックの電圧、及び電流を読み出す。Ｓ４２０Ｂにおいて、燃料電池は、スタック電圧が予め定められた電力品質機能の電圧レベルを上回っているかを判断する。スタック電圧が予め定められた電圧レベルを上回っている場合、処理はＳ４１０Ｂへ戻る。スタック電圧が、予め定められた電圧レベルを下回っている場合、処理はＳ４３０Ｂへと続き、制御部は、それぞれの燃料電池電圧を読み出す。次のＳ４４０Ｂでは、その燃料電池の電圧が、予め定められた電圧レベルを下回っているかを判断する。燃料電池電圧が、予め定められた電圧レベルを上回っているか、又は等しい場合、処理はＳ４１０Ｂへ戻り、スタック内の次の燃料電池の電圧の値を読み出す。燃料電池電圧が、予め定められた電圧レベルを下回っている場合、次のＳ４５０Ｂにおいて、制御部は、そのセルが再生中であるかを判定する。既にセルの再生が開始されている場合、処理はＳ４１０Ｂへ戻り、スタック内の次の燃料電池電圧を読み出す。セルの再生がなされていない場合、次のＳ４６０Ｂにおいて、燃料電池の再生を開始し、特定の燃料電池に対応した電圧レベルを調整する。Ｓ４７０Ｂにおいて、劣化セルのステータスは、制御部、又は他のユーザインタフェースへ送信される。図９の処理によると、燃料電池スタックにおける電力品質を維持するために、必要とされるだけの個数の燃料電池が、再生される。
【００９１】
本発明によれば、図７（ａ）、図７（ｂ）図８、図９（ａ）、及び図９（ｂ）で述べられた複数の処理は、全部の燃料電池の再生のために実行されており、もっと具体的には、燃料電池における負極部、又は正極部の再生のために実行される。このため、制御部は、再生が必要とされているかどうかを判断するために燃料電池の電圧レベルを測定している。
【００９２】
図１０は、燃料電池、又は複数のセルの集合体を再生するための、本発明に係る実験的な使用例を示す。ある特定の燃料電池、又は燃料電池集合体における電圧を周期的に調整することにより、燃料電池の再生が起こる。グラフは、周期的な再生が生じた燃料電池における、燃料電池電流、及び時間を示している。セルの再生のためには、セル電圧は、２０秒毎に４００ミリ秒間、−０．３Ｖにまで降下させられる。更に、グラフは、再生しない場合における、燃料電池電流、及び時間を示している。どちらの場合においても、セル電圧は０．６Ｖに保持され、１００ｐｐｍの一酸化炭素を含んだ水素が、燃料として使用される。これらの実験結果の比較から、周期的にパルスを印加した燃料電池の出力は、再生のパルスを印加しない燃料電池の出力よりも、動作の２０分後において、約５０％高いことがわかる。印加されたパルスは、様々なパラメータによって定義されてよく、これらのパラメータは、触媒触媒毒のレベルに基づいて定められる。印加されるパルスの長さと形状を定義する複数のパラメータは、電圧レベル、電圧レベルのレンジ、パルスの所定の周期、及びパルスの周期性であってよく、又は他の適切なパラメータであってもよい。
【００９３】
図１１は、燃料電池の電力出力における電圧パルスの電圧の上限を調整した結果を示す。より具体的には、図１１は、再生パルスに追随した出力の変化を示している。データは、このセルが数分間にわたって被毒していることを示している。この実験では、２秒間パルスが印加された。他の実験では、より短いパルス（例えば、２００ミリ秒か、それ以下）や、より長いパルスも、効果的であることを示している。
【００９４】
図１１において、セル電圧は、セル再生のために２秒間周期に必要な電圧値にまで下げられる。再生パルスに従って、セル電圧は、ほぼ０．６Ｖに保持されている。１００ｐｐｍの一酸化炭素を含む水素が燃料として使用されている。この結果は、再生処理は、より低い電位においてより効果的であることを示している。一般的に、最適な再生電圧と時間とは、セルから除去する必要がある特定の触媒毒と相関があると期待される。
【００９５】
図１２は、燃料電池スタックにおいて、冠水したセルより出力された結果を示す。取得されたデータによると、本発明は、セルの状態を判断する際に有益であることを示している。図１２は以下に述べることを示している。１．高い電位（０．８Ｖ）で稼動中に正極がＰＴ−ＯＨにより被毒している場合（ウリベとドナヒューの条件）における、パルスに対するセルの応答。２．正極の冠水によって性能が制限されている場合のセルの応答。
【００９６】
図１３は、燃料電池スタックにおける燃料電池の正極を再生した結果を示す。グラフに示されているように、セルが被毒している場合、性能は向上するが、これに対し、セルが冠水している場合、性能は降下する。本発明の有利な点は、燃料電池電圧と電流とが、絶えず十分に監視されることである。この情報は、燃料電池スタックの全体を管理するのに役立つ。
【００９７】
また、図１３では、セルの性能が一酸化炭素被毒の影響を受け、触媒毒を取り除く場合のＦＣＨＭの効果を示している。セルが他の処理（例えば、冠水）で制限された場合、その振る舞いは、違ってくる。従って、ＦＣＨＭは、セルの状態を診断するために役に立つ情報や、ある状況下における（例えば、セルが被毒している最中に）性能を改良するために役立つ情報を提供する。
【００９８】
本発明に係る方法、及び装置において、燃料電池や燃料電池集合体で高いレベルでの被毒が見つかっている場合、燃料電池スタックは、高い性能を発揮することが可能であることが、理解される。
【００９９】
更に、これまでで述べられた好ましい実施形態は、単に発明を説明するためのものであることは明らかである。本発明に関して、これまで開示された発明について、意図された範囲及び分野から逸脱しない範囲内で、多数のバリエーションや使用例が、特許請求の範囲の記述から導かれる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】一の燃料電池に接続された可変抵抗部、及び制御部のブロック図の一例を示す図である。
【図２】図２（ａ）は燃料電池スタックにおける複数の燃料電池に接続された、複数の抵抗部、及び制御部のブロック図の一例を示す図である。図２（ｂ）は図２（ａ）と同様に、燃料電池スタックにおける複数の燃料電池に接続された、複数の抵抗部、及び制御部のブロック図の一例を示す図であって、抵抗部のそれぞれは、燃料電池スタックにおける燃料電池集合体に接続される。
【図３】図１における可変抵抗部として、ＭＯＳＦＥＴが使用されたブロック図の一例を示す図である。
【図４】図４（ａ）は燃料電池スタックにおける少なくとも１つの燃料電池の再生のために、一の可変抵抗部、及び制御部のそれぞれに接続された、スイッチのブロック図の一例を示す図である。図４（ｂ）は燃料電池スタックにおける少なくとも１つの燃料電池の再生のために、一の可変電力供給部、及び制御部のそれぞれに接続された、スイッチのブロック図の一例を示す図である。
【図５】一の燃料電池に接続された可変電力部、及び制御部のブロック図の一例を示す図である。
【図６】図６（ａ）は燃料電池スタックにおける複数の燃料電池に接続された、複数の可変電力供給部、及び制御部のブロック図の一例を示す図である。図６（ｂ）は図６（ａ）と同様に、燃料電池スタックにおける複数の燃料電池に接続された、複数の可変電力供給部、及び制御部のブロック図の一例を示す図であって、可変電力供給部のそれぞれは、燃料電池スタックにおける燃料電池集合体に接続される。
【図７】図７（ａ）は本発明に係る可変抵抗部を利用した燃料電池管理システムにより、燃料電池スタック内の劣化燃料電池を検知し、再生するための方法を、詳細に示したフローチャートである。図７（ｂ）は本発明に係る可変電力供給部を利用した燃料電池管理システムにより、燃料電池スタック内の劣化燃料電池を検知し、再生するための方法を、詳細に示したフローチャートである。
【図８】燃料電池管理システムを用いて、燃料電池スタックにおける１つ以上の燃料電池の触媒触媒毒を検出し、少なくとも２つの燃料電池の優先順位をつけるための方法を、詳細に示したフローチャートである。
【図９】図９（ａ）は本発明に係る可変抵抗部を利用した燃料電池スタックの電力品質機能を監視するための方法を、詳細に示したフローチャートである。図９（ｂ）は本発明に係る可変電力供給部を利用した燃料電池スタックの電力品質機能を監視するための方法を、詳細に示したフローチャートである。
【図１０】燃料電池管理システムにより、可変抵抗部、又は可変電力供給部が周期的に動作している場合における、本発明に係る実験的な使用例を示す図である。
【図１１】燃料電池の電力出力における電圧パルスの電圧の上限を調整した結果を示す図である。
【図１２】燃料電池スタックにおいて、冠水したセルから出力された結果を示す図である。
【図１３】燃料電池スタックにおける燃料電池の正極の再生の効果を示す図である。
【符号の説明】
【０１０１】
５  燃料電池管理システム
１０  可変抵抗部
２０  制御部
３０  燃料電池
３５  負荷
４０  電力供給部
１００  燃料電池管理システム
１２５  燃料電池スタック
１５０  燃料電池管理システム
１７０Ｄ  ドレイン
１７０Ｇ  ゲート
１７０Ｓ  ソース
１７０  ＭＯＳＦＥＴ
１７１  燃料電池管理システム
１７３  可変抵抗部
１７４  可変電力供給部
１７５  スイッチ
１７６  燃料電池管理システム
１８０  燃料電池管理システム
１８５  可変電力供給部
１９０  燃料電池管理システム
【図１】
2005527943.tif 000003
【図２】
2005527943.tif 000004
【図３】
2005527943.tif 000005
【図４】
2005527943.tif 000006
【図５】
2005527943.tif 000007
【図６】
2005527943.tif 000008
【図７】
2005527943.tif 000009
【図８】
2005527943.tif 000010
【図９】
2005527943.tif 000011
【図１０】
2005527943.tif 000012
【図１１】
2005527943.tif 000013
【図１２】
2005527943.tif 000014
【図１３】
2005527943.tif 000015
【国際調査報告】
2005527943.tif 000016
2005527943.tif 000017
2005527943.tif 000018