(57)【要約】起動及び運転停止中に、繰り返し、スイッチ制御装置（２０１）に応じてスイッチ（２００）により燃料電池スタック（１０２）に対する補助負荷（１４８）の燃料電池外部回路（１７７、１７８）との接続及び切断が交互に行われる。スイッチは絶縁されたゲートバイポーラトランジスタ（２０８）でもよく、これは上限電圧（２０７）と下限電圧（２０８）間の変動によりオン・オフされ、これは比較回路（２０５、２０６）により行われても、制御装置（２０２）により行われても、市販の電圧応答ヒステリシススイッチにより行われてもよい。起動（２１２）及び運転停止（２１３）に対する、電池スタック電圧の関数としてのデューティサイクルのスケジュールがスイッチを動作するパルス幅変調器（２１５）を制御する。補助負荷が過熱しないように、負荷の温度（２２１）、又は電圧／電力モデル（２３５）に応じて制御器（２２９、２３１）が変調を制限してもよい。補助負荷は、水蓄積装置（２４７）、吸気口（２５７）又はエンタルピー回復装置（２６２）内に加熱器を備えてもよい。
2007507856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の外部回路出力端子（１７７、１７８）を有する、スタック内で直列に接続された複数の燃料電池（１０２）と、
燃料電池発電装置の要素（２４７、２５７、２６２）において熱を散逸させて前記要素の温度を上昇させるように設けられた電圧制限補助負荷（１４８）と、
を備える燃料電池発電装置（１００）であって、
前記端子間の前記補助負荷に直列に接続されたスイッチ（２００）と、
起動及び運転停止から選択された燃料電池スタック動作の移行中に、前記スイッチに、前記燃料電池スタックの電気出力に応じて、前記移行の少なくとも一つの間に、繰り返し、交互に、（ａ）前記端子間の前記補助負荷を接続させ、（ｂ）前記端子の少なくとも一つから前記補助負荷を切断させるように動作可能であり、前記要素内の前記補助負荷により散逸される熱から生じる温度に応じて（２２５、２５１）起動及び運転停止を除く期間の間、動作可能なスイッチ制御手段（２０１、２０５、２０６、２１２、２１３）と、
を備えることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
一対の外部回路出力端子（１７７、１７８）を有する、スタック内で直列に接続された複数の燃料電池（１０２）と、
電圧制限補助負荷（１４８）と、
を備える燃料電池発電装置（１００）であって、
前記端子間の前記補助負荷に直列に接続されたスイッチ（２００）と、
起動及び運転停止から選択された燃料電池スタック動作の移行中に、前記スイッチに、前記移行の少なくとも一つの間に、繰り返し、交互に、（ａ）前記端子間の前記補助負荷を接続させ、（ｂ）前記端子の少なくとも一つから前記補助負荷を切断させるように動作可能なスイッチ制御手段（２０１；  ２０５；  ２０６；  ２１２、２１３）と、
を備えることを特徴とする発電装置。
【請求項３】
前記スイッチ制御手段（２０１）が前記燃料電池スタックの電気出力に応じて動作可能であることを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【請求項４】
前記スイッチ制御手段が前記端子にかかる電圧の関数（２１９）に応答したパルス幅変調（２１５）を備えることを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【請求項５】
前記関数（２１９）が、前記端子にかかる電圧の関数としての所望のデユーティサイクルの少なくとも一つのスケジュールであることを特徴とする請求項４記載の発電装置。
【請求項６】
前記関数が起動中の第１のスケジュール（２１２）と、運転停止中の、前記第１のスケジュールとは異なる第２のスケジュール（２１３）であることを特徴とする請求項５記載の発電装置。
【請求項７】
前記スイッチ制御手段が前記補助負荷内で散逸される電力の関数（２３５、２３６、２３９）に応じて前記デューティサイクルを制限することを特徴とする請求項４記載の発電装置。
【請求項８】
前記スイッチ制御手段は、前記補助負荷内で散逸される電力の関数（２３５、２３６、２３９）に応じて前記スイッチが前記端子間に前記補助負荷を接続する時間の長さを制限することを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【請求項９】
前記スイッチ制御手段（２０５）は、セル当たり０．４ボルトに達する前記端子にかかる電圧に応じて前記スイッチに、前記端子間に前記補助負荷を接続させ、
前記スイッチ制御手段（２０６）は、セル当たり０．０ボルトに達する前記端子にかかる電圧に応じて前記スイッチに、前記端子の少なくとも一つから前記補助負荷を切断させる、
ことを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【請求項１０】
前記スイッチ制御手段（２０５）は、セル当たり０．２ボルトに達する前記端子にかかる電圧に応じて前記スイッチに、前記端子間に前記補助負荷を接続させ、
前記スイッチ制御手段（２０６）は、セル当たり０．１ボルトに達する前記端子にかかる電圧に応じて前記スイッチに、前記端子の少なくとも一つから前記補助負荷を切断させる、
ことを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【請求項１１】
前記発電装置は、前記補助負荷の温度を示す信号を供給する温度手段（２２１、２４９）を更に備えており、
前記スイッチ制御手段（２１５、２５１）は、閾値温度を超える温度を示す前記信号に応じて前記スイッチが前記端子間に前記補助負荷を接続する時間の長さを制限することを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【請求項１２】
前記スイッチ制御手段は、上限電圧に達する前記端子にかかる電圧に応じて前記スイッチに、前記端子間に前記補助負荷を接続させ（２０５）、下限電圧に達する前記端子にかかる電圧に応じて前記スイッチに、前記端子の少なくとも一つから前記補助負荷を切断させる（２０６）ことを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【請求項１３】
前記上限電圧がセル当たり０．４ボルトであり、前記下限電圧がセル当たり０．０ボルトであることを特徴とする請求項１２記載の発電装置。
【請求項１４】
前記上限電圧がセル当たり０．２ボルトであり、前記下限電圧がセル当たり０．１ボルトであることを特徴とする請求項１２記載の発電装置。
【請求項１５】
一対の外部回路出力端子（１７７、１７８）を有する、スタック内で直列に接続された複数の燃料電池（１０２）を備える燃料電池発電装置（１００）であって、
前記燃料電池発電装置の要素（２４７、２５７、２６２）において熱を散逸させて前記スタックの温度を上昇させるように設けられた電圧制限補助負荷（１４８）と、
前記端子間に前記補助負荷と直列に接続されたスイッチ（２００）と、
（ａ）前記燃料電池スタックの電気出力に応じて起動及び運転停止から選択された移行中（２０５、２０６、２１２、２１３）、及び（ｂ）前記要素内で前記補助負荷により散逸された熱から生じる温度に応じて（２２５、２５１）起動及び運転停止を除く期間の間、前記スイッチを制御するように動作可能なスイッチ制御手段（２０１）と、
を備えることを特徴とする発電装置。
【請求項１６】
前記要素が前記燃料電池発電装置内の水蓄積装置（２４７）であることを特徴とする請求項１５記載の発電装置。
【請求項１７】
前記（２５７）要素が前記燃料電池スタックに向かって酸化剤を導くことを特徴とする請求項１５記載の発電装置。
【請求項１８】
前記要素が前記燃料電池発電装置内のエンタルピー回復装置（２６２）であることを特徴とする請求項１５記載の発電装置。
【請求項１９】
前記補助負荷が前記エンタルピー回復装置内に導電性黒鉛複合材板（２６０）を備えることを特徴とする請求項１８記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、所望の大きさの負荷を模すように周期的にかけられる（随意には温度制御を用いて）燃料電池スタックの電圧制限補助負荷に関し、この場合、補助負荷はまた熱を空気又は冷却材等のスタック又は酸化剤エネルギー回復装置に供給する。
【背景技術】
【０００２】
２００２年１１月２６日に出願された米国特許出願第１０／３０５，３０１号は、図１に関して述べられるように、起動中の反応物の導入から生じ、また燃料電池発電装置の運転停止中の反応物の消費から生じる個々の電池電圧を制限するために燃料電池スタックの電気出力に選択的に取り付けられる補助負荷の使用を開示している。
【０００３】
図１において、従来技術の燃料電池システム１００はアノード１０４、カソード１０６、及びアノードとカソードの間に設けられた電解質層１０８を備える燃料電池１０２を含む。アノードはアノード基板１１０を含み、その基板の電解質層１０８に面する側にはアノード触媒層１１２が設けられる。カソードはカソード基板１１４を含み、その基板の電解質層１０８に面する側にはカソード触媒層１１６が設けられる。電池はまたアノード基板１１０に隣接するアノード流れ区域板１１８とカソード基板１１４に隣接するカソード流れ区域板１２０を含む。
【０００４】
カソード流れ区域板１２０は、その全面にわたり、カソード基板に隣接して広がる複数の通路１２２を有し、入口１２４から出口１２６までカソードの全体に空気等の酸化剤を運ぶカソード流れ区域を形成する。アノード流れ区域板１１８は、その全面にわたり、アノード基板に隣接して広がる複数の通路１２８を有し、入口１３０から出口１３２までアノード全体に水素含有燃料を運ぶアノード流れ区域を形成する。例えば、冷却器１３１、熱を放出する放熱器１３６、及び流量制御弁又はオリフィス１３８を通過するループ１３２を通して水を循環させる水ポンプ１３４用いて電池から熱を除去するための、カソード流れ区域板１２０に隣接する冷却器１３１を含む電池もある。いくつかの燃料電池システムにおいて、板１１８、１２２及び１３１等のアノード及びカソード流れ区域板及び冷却器板は多孔質であり、気体を電池のアノード及びカソードに運ぶと共に、水を各電池に、あるいは各電池から搬送するために使用される。それらのシステムにおいて、ポンプ１３４等の冷却材ループポンプは反応物通路が冷却材により遮断されないように運転停止中もオンのままでなければならない。
【０００５】
単一の電池１２０のみを示したが、実際には燃料電池システムは電気的に直列に接続された複数の隣接する電池（即ち電池スタック）を備える。
【０００６】
燃料電池システムは加圧された水素含有燃料の供給源１４０、空気の供給源１４２、空気送風機１４４、主負荷と呼ばれる主要電気使用装置１４６、補助負荷１４８、アノード排気再循環ループ１５０、再循環ループ送風機１５２を含む。正常な燃料電池動作の間、電池が主負荷１４６に電気を供給しているときは、主負荷スイッチ１５４が閉じられ（図面では開いて示される）、補助スイッチ１５６は開いている。空気送風機１４４、アノード排気再循環送風機１５２及び冷却材ポンプ１３４は全てオンであり、燃料供給源１４０から再循環送風機１５２の下流にあるアノード再循環ループ１５０までの燃料供給導管内の弁１６６は、再循環ループ１５０内の弁１７０及びアノード排気導管１７４内のアノード排気排出弁１７２と同様に開いている。導管１６０内の空気入口供給弁１５８は開いている。空気供給源１４２から再循環送風機１５２の上流にある再循環ループ内のある点までの導管１６４内の空気供給弁１６２は閉じている。
【０００７】
こうして、正常動作の間、空気供給源１４２からの空気は導管１６０を介してカソード流れ区域入口１２４に連続的に供給され、導管１７６を介して電池出口１２６を出る。加圧された水素供給源１４０からの新鮮な水素含有燃料は、燃料を再循環ループ１５０内へ導く導管１６８を介してアノード流れ区域に供給される。使用済み燃料を含むアノード排気の一部は導管１７４を介して排出弁１７２を通ってアノード流れ区域を出、一方、再循環送風機１５２は、従来技術において周知の方式で再循環ループを介してアノード流れ区域を通ってアノード排気の残りを再循環させる。再循環流はアノード流れ区域の入口１３０から出口１３２まで比較的均一なガス組成を維持するのを助けると共に、燃料入口近傍での電池の乾燥を防止するために水蒸気の一部を電池に戻す。燃料中の水素は正常な電池動作の間、周知の方式で電気化学的に反応してプロトン（水素イオン）と電子を生じる。電子はアノード１０４から外部回路１７８を通ってカソード１０６に流れて負荷１４６に電力を供給し、一方、プロトンはアノード１０４から電解質１０８を通ってカソード１０６に流れる。
【０００８】
電池触媒と触媒支持体の腐食の結果としての著しい電池性能劣化を避けるために、以下の手順を使用して電池を運転停止してもよい。即ち、スイッチ１５４が開かれ、主負荷を外部回路から切断する。弁１６６は開いたままであり、燃料をアノード流れ区域に流す。空気入口供給弁１５８は好ましくは、アノード排出弁と同様に閉じられる。再循環流弁１７０は開いたままでもよく再循環送風機１５２は電池を通ってアノード排気を再循環させ続けるためにオンのままでもよい。これはアノード上の局部的な燃料枯渇を防止する。次いでスイッチ１５６が閉じられ、それにより、外部回路１７７、１７８において電池の両端に小さい補助抵抗負荷１４８を接続する。スイッチ１５６が閉じられると、通常の電池電気化学反応が生じ続けてカソード流れ区域内の酸素濃度が低下する。
【０００９】
弁１５８はカソードチャンバ内の圧力が周囲圧力より下に降下しないように補助負荷の適用期間中に部分的に開いていてもよい。
【００１０】
補助負荷１４８は好ましくは電池電圧をその約０．９０〜１．０ボルトの開回路電圧から約０．２０ボルトに約１５秒乃至１分で下げるような大きさをしている。これを達成するのに必要な負荷の大きさは電池設計の詳細、例えばセル数、電池サイズ、アノード流れ区域及び各燃料マニホールド等の中、及びカソード流れ区域及び各空気マニホールド等の中にあるそれぞれの水素と空気の最大体積に依存する。燃料パージ開始前の補助負荷の適用から生じる低レベルの電流発生のために、運転停止中の電池性能劣化を生じると考えられる「逆電流」の大きさは空気パージステップ中はより小さくなる。
【００１１】
一旦、電池電圧が所定量だけ（好ましくは０．２ボルト以下の電池電圧に）低下されたら、スイッチ１５６は開かれても、閉じられたままでもよく、弁１６６は運転停止手順の残りの全て又は一部の期間中は閉じられる。再循環弁１７０は閉じられ、再循環送風機は切られてアノード排気の更なる再循環を防止する。アノード排気排出弁は開かれ、次いで空気流弁１６２が開かれて空気供給源１４２からの空気を弁１７０の直ぐ下流から再循環送風機１５２の直ぐ上流までの再循環ループに受け入れる。
【００１２】
電池が以上の手順に従って運転停止されたと仮定すれば、アノード及びカソード流れ区域内には希薄な水素及び窒素のみがあることになる。燃料電池システム１００を再始動するために、補助負荷スイッチ１５６が（開いていたら）閉じられて外部回路１７７、１７８内に補助負荷１４８を接続し、冷却材ループ弁１３８が、閉じられていたら、開かれ、ポンプ１３４がオンにされる。空気流弁１５８が閉じられ、送風機１４４がオフにされる。アノード排気排出弁１７２が開き、導管１６２内の空気流弁が閉じられる。再循環流弁１７０も開き、再循環送風機１５２がオンにされる。燃料流弁１６６が開かれて水素供給源１４０からアノード流れ区域まで加圧水素を流す。水素がアノード排気１７２に到達したら補助負荷スイッチ１５６が開かれる。空気流弁１５８が開かれ、空気送風機１４４がオンにされ、スイッチ１５４が閉じられて電池１０２の両端に主負荷を接続する。これで電池は正常に動作できる。
【００１３】
これまで説明した従来技術の固定補助負荷電圧制限機能にはいくつかの問題がある。起動中に、電池スタック電圧が所定レベルより上に上昇したら固定補助負荷が燃料電池スタックに接続され、次いで所定時間後、あるいはいくつかの実施例ではＤＣ電流が指定レベルより下に落ちた後に切断される。負荷はその期間全体にわたり一定に維持される。
【００１４】
同じ負荷が起動と運転停止の両方に使用されれば、その結果、起動と運転停止のどちらか、あるいは両方が最適化されないことになる。運転停止プロセスの間、電池スタック電圧が指定レベルより下に落ちるまで、異なる抵抗と電力定格を有する別個の補助負荷が燃料電池に接続されてもよく、これらの補助負荷は、電池スタック電圧が指定レベルより下に落ちた後で切断される。起動及び運転停止中の電圧制限のための二つの別個の異なる補助負荷を使用するのは実施と実装に費用がかかる。
【００１５】
起動の間、アノード燃料は、それぞれの燃料電池内で均一な濃度とならない仕方で、またそれぞれの燃料電池内の燃料流れ区域を同じ量が進行しない仕方で、燃料電池スタック全体に導入される。適切な燃料を有していない電池を通して電流が引き出されると、不適切な燃料を有する個々の電池に負の電圧を生じる「燃料枯渇」と呼ばれる結果が生じる。従って、補助負荷をかけるために使用される開回路電池スタック電圧は、全ての電池が十分な燃料を有することを保証するために十分高く設定されねばならない。これにより、多くの個々の電池が、望ましくない燃料電池劣化機構が生じるレベルより上の電圧レベルに上昇することになる。
【００１６】
従来技術のシステムは、製造許容誤差により生じる個々の発電装置間の変動、あるいは発電装置の動作寿命にわたり生じる発電装置の変動に適応するには十分に頑丈ではない。個々の負の電池電圧を避けるために、補助負荷と接続及び切断するために使用される制御パラメータは安全を見たものでなければならない。これは、多くの個々の電池が電池劣化機構を最小にしたいレベルより上の電圧レベルに上昇することを意味する。
【００１７】
起動及び運転停止中の電圧制限に使用される補助負荷は、これらの移行期間の間に燃料電池により発生された全エネルギーを散逸させるような大きさをしていなければならない。設計は冷却材温度及び周囲環境温度等の最悪の場合の環境条件を考慮しなければならず、これにより正常な典型的な発電装置動作条件に適した設計と比較して設計に費用がかさむことになる。
【００１８】
起動及び運転停止に対して単一の補助負荷を利用するにしろ、あるいは別個の固定補助負荷を利用するにしろ、過電圧状態及びその結果生じる燃料電池性能の劣化の緩和は十分に不満足であったので、燃料電池スタックの全ての電池へのより均一な燃料の導入をもたらすための燃料入口マニホールドシステムの構築に注意が向けられた。これらのシステムは燃料電池発電装置により電力を得る電気車両におけるようなコンパクトな用途に使用するには費用がかさみ、またあまりにも扱いにくい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
発明の目的は以下を含む。即ち、複雑な燃料入口マニホールド設計の回避、燃料電池スタック用の電圧制限装置のより簡単でより低コストでより効率的な実装、燃料電池スタックの起動と運転停止の両方に対する単一の電圧制限補助負荷の使用、起動及び運転停止中の燃料電池スタック電圧に対する正確な制御、個々の燃料電池スタックの起動及び運転停止特性に合わせられ、また各燃料電池スタックの動作寿命にわたる燃料電池スタック特性の変動に合わせられる燃料電池スタック電圧制限、反応物の流量及び分布の許容誤差、及び燃料電池スタックの起動及び運転停止中の電圧を制限するために使用される補助負荷の熱特性の許容誤差に適応できる電圧制限能力、電圧制限補助負荷の温度を制御してその損傷を防止し、それにより、その最大利用を可能にすること、温度検出する必要なしに電圧制限補助負荷に対する温度保護を提供すること、電圧制限補助負荷を用いた燃料電池スタックの起動及び運転停止中の電圧制御時の熱浪費の回避、及び燃料電池発電装置の部品数の低減である。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明によれば、電圧制限補助負荷の燃料電池スタック外部回路との接続及び切断が周期的に切り替えられて起動及び運転停止中の燃料電池スタックにかかる実効負荷を能動的に制御する。切り替えは一つの実施例において、単純に電圧の上限と下限の間の変動により制御される。他の実施例において、パルス幅変調制御のデューティサイクルは電池スタック電圧の関数である。もう一つの実施例において、パルス幅変調制御のデューティサイクルは更に補助負荷の温度により制限され、それにより、それを損傷から防護しながら最適性能を可能にする。一つの形式では温度は直接測定され、別の形式ではエネルギーバランスの関数としての熱モデルが、命令されたパルス幅変調のデューティサイクルを制限する。
【００２１】
更に発明によれば、単一の電圧制限補助負荷が燃料電池スタックにおける起動と運転停止の両方に利用される。他の実施例において、負荷は、例えば入口空気、蓄積装置内の水、又はエンタルピー回復装置の板を加熱するなどにより燃料電池スタックに対する加熱要素としても役立ち得る。
【００２２】
本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付図に図解されるその実施例の以下の詳細な説明に照らせばより明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明による図２を参照すれば、少なくとも外部回路１７７、１７８間のスタック電圧に応じてスイッチ２００が燃料電池スタックの起動中と燃料電池スタックの運転停止中に周期的に動作される。スイッチ制御器２０１は図４〜図８に図解される種々の構成をとることが出来る。起動及び運転停止手順の作動のような種々の機能はプロセッサ型の制御装置２０２により制御される。
【００２４】
スイッチ制御器２０１の第１の構成（図３に図解されるような）はスタック内の１個の電池（セル）当たりの平均電圧が上限２０３（これは０．３３ボルト程度とすることができる）に達したときにスイッチ２００を閉じる。その結果得られた電流は電圧を降下させ、電圧が下限２０４（これは０．１３ボルト程度とすることができる）まで低下したら、スイッチ２００はもう一度開かれる。
【００２５】
図４は、全て図３に図解されるように、ライン１７７による電池スタック電圧とライン２０７による上限電圧を比較して、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  ｇａｔｅ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）（ＩＧＢＴ）２０８等の電子スイッチをオンにし、ライン１７７による電池スタック電圧とライン２０９による下限電圧を比較して電圧が下限に達したら電子スイッチ２０８をオフにする比較器２０５、２０６の簡略図である。上限及び下限はそれぞれセル当たり０．４ボルト及びセル当たり０．０ボルトとすることができるが、好ましくはそれぞれセル当たり０．２ボルト及びセル当たり０．１ボルトとすることができる。本発明を実施する際に、電子スイッチ２０８を制御する図４に図解された機能はマイクロプロセッサ型制御装置２０２により実行される。
【００２６】
図３に図解される動作はユーロサーム・アクション社（Ｅｕｒｏｔｈｅｒｍ  Ａｃｔｉｏｎ，Ｉｎｃ．）（ネット上ではｗｗｗ．ｅｕｒｏｔｈｅｒｍ．ｃｏｍ及びｗｗｗ．ａｃｔｉｏｎｉｏ．ｃｏｍ）により提供される市販の電圧応答ヒステリシススイッチ、モデル番号ＡＰ１０８０及びＡＰ１０９０により実行することもできる。これらのモデルは１００ミリ秒後に上限又は下限電圧レベルに応答して、対応するスイッチを開閉する。しかしながら、それらをわずか２５ミリ秒後に電圧レベルに応答するように変形することは容易である。
【００２７】
補助負荷の回路との接続と切断を切り替えるための起動中の適切な電圧レベルは運転停止中の適切な電圧レベルとは異なる場合があるので、図４の上限及び下限は、ある場合には運転停止に対して選択され、別の場合には起動に対して選択されてもよい。ＡＰ１０８０やＡＰ１０９０のような市販のスイッチが利用される場合、一方は起動中に作動され、他方は運転停止中に作動される、それぞれが適切な制限電圧セットを有する別個のスイッチが作動されてもよい。
【００２８】
図５は起動スケジュール２１２と運転停止スケジュール２１３を採用する別の形式のスイッチ制御器２０１の簡略模式図であり、その正しい方がスイッチ２１４により選択され、パルス幅変調関数２１５に対して正しいデューティサイクル（即ち、時間の全パーセンテージに対するスイッチ２０８のオン時間のパーセンテージ）を示す電圧を供給して補助負荷１４８から所望の平均電圧制限効果を達成する。
【００２９】
起動中は、スタック内のセル当たりの平均電圧が約０．３ボルトに達するまで補助負荷１４８には電圧制限効果が必要ないことが分かる。そしてその後、電池から電流を引出し、それにより電池内の過電圧を避ける必要は、燃料流れ区域の全てが燃料で全て満たされ、従って起動が完了するまで時間と共に増加する。
【００３０】
一方、運転停止中は、デューティサイクルは、負荷に対する最大エネルギーを制限するために選択された最大デューティサイクルまで急激に増加する。スケジュール２１２、２１３のどちらかから要求される正確なデューティサイクルは燃料電池スタック自体の総合設計や、補助負荷１４８の大きさに依存する。
【００３１】
パルス幅変調関数２１５は通常のものであり、スイッチ２１４から受けた電圧レベルをスイッチ２０８に対する周期的なゲートオンパルスに変換して所望の時間割合で補助負荷１４８をスタック（１７７、１７８）に接続する。このようにして、実効的な補助負荷がパルス幅変調により制御される。デューティサイクルスケジュール２１２、２１３はスイッチ２１４と共に以下変調制御器２１９と呼ばれ、図５に点線で示される。
【００３２】
図６において、補助負荷１４８の温度は温度検出器２２１によりモニタされてライン２２２による温度信号を最大デューティサイクルスケジュール２２５への入力として供給する。温度が閾値温度Ｔｔを超えない限り、スイッチ２０８のデューティサイクルは温度制御に関する限り１００％と同じくらい高くてもよい。閾値温度を超えたら、スケジュール２２５に示されるように、最大デューティサイクルは温度の関数として低下される。スケジュール２２５の出力はライン２２６により、制限がライン２２６による信号により制御される、「より大きくならない（ｎｏｔ  ｇｒｅａｔｅｒ）」関数とも呼ばれることもある可変制限関数２２９に供給される。
【００３３】
変調制御器２１９（図５に関して説明済み）からのライン２１６による信号は、補助負荷１４８の温度が閾値温度を超えない限り、また超えるまで、影響されずに制限関数２２９を通ってライン２３１によりパルス幅変調制御器２１５まで送られる。次いで、ライン２１３による信号はライン２２６による信号より大きくならないように制限される。このようにして、補助負荷１４８はそれが過熱するほど十分に高いデューティサイクルでは電池スタックに接続されない。これは本発明のもう一つの重要な態様である。
【００３４】
図７においては、補助負荷１４８（図６のような）の温度をモニタする温度検出器を用いる代わりに、熱モデル２３５が使用される。先ず、関数２３６において、スタック電圧が二乗され、補助負荷１４８の抵抗で割り算されて補助負荷１４８により消費されるピーク電力を表すライン２３７による信号を提供する。次いで、変調制御器２１９により命令されたデューティサイクルは関数２３９において、変調制御器２１９により決定される現在のデューティサイクルにより決定される電力の一部分であるライン２４０による信号を供給するために使用される。負荷が接続される時間のパーセントに比例する平均電力を表すライン２４０による信号は熱モデル２３５に適用され、このモデルは「より大きくならない（ｎｏｔ  ｇｒｅａｔｅｒ  ｔｈａｎ）」制限回路２２９に適用されるライン２４３による信号を決定する。このようにして、ＰＷＭ信号のデューティサイクルはエネルギーバランスモデルにより予測された補助負荷の最大温度を制限するように制御される。モデルはエネルギー散逸能力計算を含み、測定又は推定された温度と冷却材空気又は水の流れを必要とする。
【００３５】
本発明のもう一つの態様によれば、補助負荷１４８は種々の方法で燃料電池スタックの温度の加熱及び／又は制御を助けるために使用してもよい。図８の例において、水蓄積装置が放熱器１３６と流量制御弁又はオリフィス１３８の間に挿入される。補助負荷１４８は蓄積装置２４７内に設けられた加熱器である。変調制御器は、前に述べたように、スイッチ２０８の動作の仕方により平均の実効負荷を発生できるという事実のために、適切な加熱器となるように補助負荷１４８のサイズを変更することは何ら問題ではない。図８において、温度検出器２４９が蓄積装置内の水の温度を検出し、温度の関数としての所望のデューティサイクルのスケジュール２５１にライン２５０による温度信号を供給する。ライン２５４による出力は変調制御器２１９内のスイッチの中央端子に与えられる。こうして、パルス幅変調回路２１５はスイッチ２１４の設定に従って、運転停止スケジュールにも、起動スケジュールにも、温度スケジュールにも応答する。
【００３６】
典型的には、図８に模式的に図解された本発明の実施例は当業技術における技法の範囲内に十分入る通常のプログラミング概念を利用した更なるソフトウェア・ルーチンにより制御装置２０２において実施されるであろう。
【００３７】
図８に図解されるように、蓄積装置２４７内の水を温める代わりに、空気入口供給弁１５８と空気入口１２４の間に設けられた図９に示すような熱交換装置２５７内に補助負荷１４８があってもよい。そうして温度検出器２４９が入口空気の温度を検出し、制御は図８に図解される通りのものでよい。
【００３８】
図１０に簡単に図解される本発明のもう一つの態様は、起動及び運転停止に対する電圧を制限する補助負荷としてエンタルピー回復装置２６２内にある導電性黒鉛複合材板２６０（破線で示す）を利用する。図１０において、補助負荷１４８は一貫性を期した例示に過ぎない。実際には抵抗は導電性黒鉛複合材板２６０列の抵抗の和である。温度検出器２４９はライン２５０により信号を供給するために空気入口導管１６０内にあってもよい。そして、制御は図８に関して以前に説明した通りのものである。
【００３９】
異なる個々の燃料電池発電装置に適応できるように、また使用を通じた老朽化に伴う特定の燃料電池の変動に適応できるように、動作を調整する能力、特にスケジュール２１２、２１３（図５）、が本発明により与えられ、これがその重要な特徴であることは言うまでもない。
【００４０】
本発明は燃料電池スタックの電気出力の電圧に応答する実施例として説明したが、本発明はスタック電気出力の他の特性に応答してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】起動と運転停止の両方に単一の電圧制限補助負荷抵抗器を採用する従来技術の燃料電池発電装置の模式的ブロック図。
【図２】本発明による、スイッチと制御器を採用して燃料電池発電装置の外部回路に電圧制限補助負荷を周期的に接続する燃料電池発電装置の模式的ブロック図。
【図３】電圧制限補助負荷の燃料電池スタック外部回路との接続と切断が周期的に切り替えられる燃料電池スタックのセル当たりの平均電圧のプロット。
【図４】図３に図解される電圧制限補助負荷の切り替えを実行する電圧比較器の簡略化された模式図。
【図５】本発明による、異なる運転停止及び起動のデューティサイクルスケジュールに応答する電子スイッチのパルス幅変調制御の模式図。
【図６】最大デューティサイクルに対する温度応答制限を有する電圧制限補助負荷のパルス幅変調切り替えの模式図。
【図７】最大デューティサイクルを制限するために温度モデルを用いる電圧制限補助負荷スイッチのパルス幅変調制御の模式図。
【図８】燃料電池スタック水蓄積装置内の加熱器として機能する切り替え電圧制限補助負荷の模式図。
【図９】燃料電池スタックの空気入口内の加熱器として使用される切り替え電圧制限補助負荷の部分模式図。
【図１０】燃料電池発電装置の空気回路内のエンタルピー回復装置の導電性黒鉛複合材板を備える切り替え電圧制限補助負荷の部分模式図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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