(57)【要約】  カスケード式燃料電池スタック（９ａ）は、導電性分離プレート（５８、５９）および電流集積圧力プレート（５６、５７）によって電気的に直列に接続された複数の燃料電池（１３）群（１０〜１２）を備える。各群は、インレット燃料分配燃料インレットマニホールド（１７ａ、１９ｃ、２０ｃ）と、最後を除き直後の各群のインレットマニホールドに供給する燃料出口マニホールド（１９ａ、２０ａ）とを有する。マイクロコントローラは、複数の電圧感知装置（４８ａ〜４８ｃ）からの信号により、対応する群に亘り所定の平均電池電圧を感知したことに応答して、（ａ）対応するスイッチ（５０ａ〜５０ｃ）により各群および、このシークエンスにおいて、直前の群全てを電圧制限装置（ＶＬＤ）に接続する、または（ｂ）各群を自身の電圧制限装置（ＶＬＤ）に接続させる。通常作動時では、マイクロコントローラは、主要な負荷に接続し、電圧制御装置の接続を切る（５３）（２５）。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料が連続して流れるように先頭の群（１０）と最後の群（１２）を有する連続するシーケンスに配置され、前記シーケンスにおいて、前記最後の群を除く各群から直後の群に燃料が流入するとともに、前記先頭の群を除く各群が、直前の群から燃料を受け取るように構成され、電気的には、前記先頭の群および前記最後の群に各々が接続された一対の電流集積圧力プレート（５６、５７）の間に各群が直列に接続された、少なくとも２つの燃料電池（１３）群（１０〜１２）と、
制御装置（２５）と、
主要な負荷（５３）と、
前記制御装置により操作され、前記主要な負荷を前記圧力プレートに接続して、前記スタックの電気出力が前記負荷を駆動するようにするスイッチ（５２）と、
（ａ）補助的な負荷抵抗（図４、５）および（ｂ）エネルギー貯蔵システム（図６）のいずれかから選択される１つの電圧制限装置（４５）または複数の電圧制限装置（４５ａ〜４５ｃ）と、
を備える電気出力を提供可能なカスケード式燃料電池スタック（９ａ）であって、
前記各燃料電池群が、燃料出口マニホールド（１９ａ、１９ｃ、２２）、および、入口燃料分配燃料インレットマニホールド（１７ａ、２０ａ、２０ｃ）を備え、前記シーケンスにおいて、前記最後の群を除いた各群の燃料出口マニホールドが、直後の群の入口燃料分配燃料インレットマニホールドに接続（１９ｂ、２０ｂ）されるとともに、前記先頭の群を除く各群の燃料分配燃料インレットマニホールドが、直前の群の燃料出口マニホールドに接続され、
導電性分離プレート（５８、５９）が、隣接する前記燃料電池群同士の間に配置され、
（ｃ）２つの前記分離プレートまたは（ｄ）１つの前記分離プレートと１つの前記圧力プレートとに各々接続され、かつ、各々が対応する１つの前記燃料電池群に亘り所定の平均電池電圧が生じたことに応答して前記制御装置に信号を送る、複数の電圧感知装置（４８ａ〜４８ｃ）を備え、
前記各燃料電池群に対して１つずつ設けられ、対応する１つの電圧感知装置からの信号に応答して、対応する１つの群を前記電圧制限装置の１つに電気的に接続するように前記制御装置により操作可能な複数のスイッチ（５０ａ〜５０ｃ）を備える、ことを特徴とするカスケード式燃料電池スタック。
【請求項２】
燃料が連続して流れるように先頭の群（１０）と最後の群（１２）を有する連続するシーケンスに配置され、前記シーケンスにおいて、前記最後の群を除く各群から直後の群に燃料が流入するとともに、前記先頭の群を除く各群が、直前の群から燃料を受け取るように構成され、電気的には、前記先頭の群および前記最後の群に各々が接続された一対の電流集積圧力プレート（５６、５７）の間に各群が直列に接続された、少なくとも２つの燃料電池（１３）群（１０〜１２）と、
制御装置（２５）と、
主要な負荷（５３）と、
を備える電気出力を提供可能なカスケード式燃料電池スタック（９ａ）であって、
燃料電池の各群が、燃料出口マニホールド（１９ａ、１９ｃ、２２）、および、入口燃料分配燃料インレットマニホールド（１７ａ、２０ａ、２０ｃ）を備え、前記シーケンスにおいて、前記最後の群を除く燃料出口マニホールドが、直後の群の入口燃料分配燃料インレットマニホールドに接続（１８ｂ、２０ｂ）されるとともに、前記先頭の群を除く各燃料分配複合燃料インレットマニホールドが、直前の群の燃料出口マニホールドに接続される、ことを特徴とするカスケード式燃料電池スタック。
【請求項３】
燃料が連続して流れるように先頭の群（１０）と最後の群（１２）を有する連続するシーケンスに配置され、前記シーケンスにおいて、前記最後の群を除く各群から直後の群に燃料が流入するとともに、前記先頭の群を除く各群が、直前の群から燃料を受け取るように構成され、電気的には、前記先頭の群および前記最後の群に各々が接続された一対の電流集積圧力プレート（５６、５７）の間に各群が直列に接続された、少なくとも２つの燃料電池（１３）群（１０〜１２）と、
制御装置（２５）と、
主要な負荷（５３）と、
前記制御装置により操作され、前記主要な負荷を前記圧力プレートに接続して、前記スタックの電気出力が前記負荷を駆動するようにするスイッチ（５２）と、
（ａ）補助的な負荷抵抗（４５ａ、４５ｂ）および（ｂ）エネルギー貯蔵システム（４５ｃ）のいずれかから選択された１つの電圧制限装置（４５）または複数の電圧制限装置（４５ｇ〜４５ｉ）と、
を備える電気出力の提供可能なカスケード式燃料電池スタック（９ａ）であって、
導電性分離プレート（５８、５９）が、隣接する前記燃料電池群同士の間に配置され、
（ｃ）２つの前記分離プレートまたは（ｄ）１つの前記分離プレートと１つの前記圧力プレートとの各々に接続され、かつ、各々が対応する１つの前記燃料電池群に亘り所定の平均電池電圧が生じたことに応答して前記制御装置に信号を送る、複数の電圧感知装置（４８ａ〜４８ｃ）を備え、
前記各燃料電池群に対して１つずつ設けられ、対応する１つの電圧感知装置からの信号に応答して、対応する１つの群を前記電圧制限装置の１つに電気的に接続するように前記制御装置により操作可能な複数のスイッチ（５０ａ〜５０ｃ）を備える、ことを特徴とするカスケード式燃料電池スタック。
【請求項４】
第一の側が、先頭の群（１０）に接続された一方の前記圧力プレート（５７）に電気的に接続される１つの電圧制限装置（４５）を備え、
前記スイッチ（５０ａ〜５０ｃ）の各々が、対応する前記の信号によって、対応する１つの前記燃料電池群（１０〜１２）および、前記シーケンスにおいて、この群に先行する全ての前記燃料電池群（１１、１２）を、前記電圧制限装置の第二の側に接続するように操作されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記燃料電池群の各々について独立した１つの前記電力制限装置（４５ｇ〜４５ｉ）を備え、
各前記スイッチ（５０ａ〜５０ｃ）が、対応する１つの前記電圧制限装置に対応する１つの前記燃料電池群を電気的に接続させるように、前記の対応する信号により操作されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、始動時や停止時等のカスケード式燃料電池スタックの燃料流や電圧のカスケード式制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
非常に高い約９８％または９９％の燃料使用率を達成するためには、純粋な水素で燃料電池スタック９を作動する場合に、図１に例示されているカスケード燃料流領域は、連続して流れるように配置された複数の群１０〜１２の燃料電池１３を含み、燃料入口バルブ１６を介した燃料源（図示せず）からの燃料が、燃料入口マニホールド１７に入り、燃料電池１３の第一の群１０を流れて、第一の反転マニホールド１９に入り、続いて、燃料電池１３の第二の群１１を流れ、それから第二の反転マニホールド２０、燃料電池１３の第三の群１２を介し、出口マニホールド２２に向かう。
【０００３】
典型的な４０キロワットの燃料電池スタックでは、第一の群１０は数多くの、例えば約２００個の電池１３を有し、第二の群１１はより少数の例えば約７０個の電池１３を有し、第三の群１２は約２５個の電池を有する。周知のように、このことは、最後の電池１２が十分な水素を得た場合に、全ての電池が高い水素の使用率によって均等に十分な水素を得ることが保証される。
【０００４】
図１では、燃料電池が通常作動モードで発電している時に、マイクロコントローラ２５が、ライン２６で信号を送り燃料入口バルブ１６を開かせ、入口マニホールド１７に燃料を供給する。また、このプロセッサ２５はライン２７で信号を送り通常の燃料出口バルブ２３を開かせる。このような条件では、燃料は入口マニホールド１７に入り、電池１３の群１０を通過し、第一の反転マニホールド１９に入り、電池１３の群１１を通り、第二の反転マニホールド２０を通り、電池１３の群１２、マニホールド出口２２、出口バルブ２３を通って、排出口３０に向かう。
【０００５】
燃料電池スタックは、一般的な方法で、ポンプ３９で駆動されるリサイクルループ３８を含み得るが、しかしながらリサイクルループの使用は、必須ではない。
【０００６】
２０００年１２月２０日に出願された同時係属中の米国特許出願番号第０９／７４２，４８１号では、始動時に、新鮮な水素を含む燃料流がより速くアノード流領域を流れれば、より速く水素／空気の境界面がアノード流領域を移動し、白金触媒や触媒担体に腐食が生じる時間がより短縮される。
【０００７】
２００１年８月３日に出願された係属中の米国特許出願番号第０９／９２１，８０９号では、燃料電池スタックのカスケード反応物流領域は、インレット燃料をスタックの各カスケードに直接供給する付加的な燃料入口バルブを有し、またスタックの各カスケードから燃料を直接除去する少なくとも１つの付加的排出バルブを有する。このことは、始動時において、燃料を迅速に燃料流領域に展開することに利用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
迅速なパージは、前述した始動時の問題を低減させるが、カスケード式燃料電池スタックの性能損失は依然として容認できない。
【０００９】
２００２年１１月２６日に出願された同時係属中の米国特許出願番号第１０／３０５，３０１号で例示されているように、電池ごとの平均電圧約０．２ボルトを電圧感知装置４８が検出するとすぐに、マイクロコントローラがスイッチ５０を閉じ、主電気出力端末４６、４７に電圧制限装置４５が接続されることは当分野において公知である。この出願における電圧制限装置は、単純な補助的負荷抵抗である。
【００１０】
時間の経過、または燃料電池スタックのパラメータの検出のいずれかにより通常作動が実現したことが判定されると、マイクロコントローラ２５が、スイッチ５２を閉じて、燃料電池の電気出力端末４６、４７を主要な負荷５３に接続し、スイッチ５０を開く。
【００１１】
電圧制限装置がスタックに接続されないで、電池１０の群に水素が供給された場合は、これらの電池は過剰電圧を有して、結果として炭素の腐食や根本的な性能の損失が起こる。一方、水素が第二、第三の群１１、１２の電池に到達する前に、電圧制限装置４５がスタックに接続されると、第二、第三の群の電池内のアノードは、駆動されて電位を上げ、結果として炭素系の触媒担体やその他の電池の要素などが腐食する。
【００１２】
上述した問題は、性能損失が早いことが確実なので、カスケード式に燃料を供給する燃料電池スタックは実現不可能な結果となる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の側面は、電池の逆電圧、炭素腐食、性能損失など前述した始動時の問題がなく、燃料電池スタックが、カスケード燃料流領域の利点である高率で燃料を利用し、および、改良された燃料電池スタックが、頻繁に始動や停止をする結果、触媒や他の部分が異常な分解を起こさないカスケード流領域を用いることを含む。
【００１４】
本発明は、カスケード式燃料電池スタック内の燃料電池の異なる群において燃料を分配することが操作上非効率であるという我々の発見の一部と、燃料電池スタックを始動し停止するまでの間の電圧制御を、燃料を受け取る燃料電池の各群と関連して行わなければならないという事実に基づく。
【００１５】
本発明では、燃料流が直列となるように配置した燃料電池群のカスケードは、連続する各群用の入口燃料分配燃料インレットマニホールドを含み、機能上十分に、燃料を各燃料電池群に分配し供給する。さらに本発明では、燃料流が連続する燃料電池スタック、つまりカスケード式燃料スタックが始動する時の電圧制御が、１つの燃料電池群で同時になされるので、各群に燃料を導入することに直接応答できる。
【００１６】
本発明は、始動しようとするスタック内のカスケード式燃料電池群の各々の群を、各群で同時に始動することを可能にし、先行技術として周知である単独の非カスケード式燃料電池スタックと同様に各群が、有利な始動状況を得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図２では、本発明のカスケード式燃料電池スタック９ａは、第一の群１０内の燃料電池１３の燃料流領域への入口でインレット燃料を分配する燃料入口マニホールド１７ａを含む。この燃料分配マニホールド１７ａは、２００２年１０月１０日に出願した同時係属中の米国特許出願番号第１０／２６９，６５４号に記載されているカスケード燃料入口マニホールドとし得る。ここで記載されている装置は、数回、例えば４回に亘って燃料を二等分していくので、燃料電池のスタック全体に亘り均一に分配される。従って、各燃料電池の燃料流領域は、他の燃料電池の各燃料流領域と同時に、かつ均等量の燃料を受け取る。この燃料分配マニホールド１７ａは、２００３年１２月１５日に出願された同時係属中の米国特許出願番号（整理番号Ｃ−２９５０）、「燃料電池用の透過性インレット燃料ガス分配器」に記載されているように、透過性のあるバッフルを備えるインレット燃料ガス分配器の形状を取ってもよい。この米国特許出願では、燃料が、透過可能なバッフルを介することにより均等に分配される。透過可能なバッフルは、多孔質のもの、オリフィスを有するもの、スクリーン、メッシュまたは他の材質などとし得る。もしくは、他のインレット燃料分配器や複合燃料インレットマニホールドを使用してもよい。
【００１８】
燃料電池１３の第一の群１０の燃料流領域を通った燃料は、燃料出口マニホールド１９ａに到達する。燃料出口マニホールド１９ａ自体では群１１の燃料電池１３と直接連通していない。そのかわり、燃料出口マニホールド１９ａは、燃料路１９ｂに接続し、この燃料路１９ｂが他の燃料分配燃料インレットマニホールド１９ｃに接続する。マニホールド１７ａ、２０ａ、２０ｃおよび燃料路２０ｂは、別個の要素として示されているが、これらは１つの構造に集積してもよい。同様に、マニホールド１９ａ、１９ｃ、２２は、燃料路１９ｂを加えて１つの構造に集積してもよい。このマニホールドは、マニホールド１７ａと類似しており、燃料を燃料電池１３の群１１全体に均等に分配する。このことは、燃料電池１３の群１１に固有の傾向が存在している先行技術の図１に示される燃料分配方法と異なる。図１では、群１１の中の群１０に最も近い燃料電池が、最初に燃料を受け取り、かつ、群１２寄りに配置された燃料電池１３よりも多くの燃料を受け取る。このことは、本発明の重要な側面である。
【００１９】
群１１と群１２間の平坦な反転マニホールドの代替として、群１１は、燃料出口マニホールド２０ａを有し、他の燃料分配燃料インレットマニホールド２０ｃに燃料を供給する燃料路２０ｂが接続する。これらは他のマニホールド１７ａ、１９ｃと類似している。従って、均一でかつ同時に燃料流を、群１２の燃料電池１３の燃料流領域に入れる。このことは、図１の先行技術に示されるような、群１２の中で群１１に近い燃料電池に燃料が入り、群１１からより離れている燃料電池１３に到着する燃料は少なく、かつ、遅れが生じるという傾向と異なっている。群１２の全ての燃料電池１３は、燃料出口マニホールド２２と連通し、必要であれば、これを図１に示す燃料リサイクル装置３８、３９に接続してもよい。
【００２０】
このように、本発明の第一の側面においては、各群に均等に燃料を分配するので、所定の群のすべての燃料電池は、同一の群の他の燃料電池と共に、均一かつ同時に燃料を受け取る。
【００２１】
本発明の第二の側面においては、サブスタック電圧監視装置４８ａ〜４８ｃを有し、これによって、マイクロコントローラ２５が電圧制限装置（ＶＬＤ）スイッチ５０ａ〜５０ｃを操作する。このサブスタック電圧監視装置４８ａ〜４８ｃは、２つの導電性分離プレート５８，５９、または、端部プレート５６，５７の１つと分離プレート５８，５９の１つ、に接続されている。
【００２２】
燃料電池が始動するとき、マイクロコントローラが、ライン２６の信号によりバルブ１６を開き、水素が燃料分配燃料インレットマニホールド１７ａを通過して流れ始める。この燃料は、同時に各燃料電池に入り、端部プレート５７と分離プレート５９間に電圧を生じさせる。サブスタック電圧監視装置４８ａが、電池ごとに約０．２ボルト程度でもよい適宜な平均の電池電圧を確認すると、マイクロコントローラ２５が、スイッチ５０ａを閉じて燃料電池１３の群１０を電圧制限装置に接続する。他の２つの群の燃料電池は、未だ燃料を受け取っておらず、電圧制限装置に接続されていない。一旦、燃料が燃料電池１３の群１１に入ると、燃料分配燃料入口マニホールド１９ｃにより均一に分散され、電池電圧が、分離プレート５８と分離プレート５９間で増大し始める。サブスタック電圧監視装置４８ｂが、電池ごとに約０．２ボルト程度でもよい相当の電圧を感知したとき、マイクロコントローラ２５は、スイッチ５０ｂを閉じ、その後スイッチ５０ａを開く。従って、群１１と群１０とがスイッチ５０ｂを介して直列に電圧制限装置４５に接続される。従って、燃料が各燃料電池１３の燃料流領域を満たしていくときに、電圧が、適宜の時間内で制限される。
【００２３】
最終的に、燃料は、燃料分配燃料入口マニホールド２０ｃに到達し、端部プレート５６と分離プレート５８間の電圧が増大する。サブスタック電圧監視装置４８ｃが、電池あたり約０．２ボルト程度でもよい平均電圧を標示したとき、マイクロコントローラ２５が、スイッチ５０ｃを閉じて、その後スイッチ５０ｂを開く。これにより、３つの群１０〜１２すべてが、スイッチ５０ｃを介して電圧制限装置４５に接続する。３つの群全てが通常に作動しているとマイクロコントローラが判断したときは、スイッチ５２を閉じて、主要な負荷５３を圧力プレート５６、５７に接続させることによりスタック９ａに接続させる。そして、マイクロコントローラはすぐにスイッチ５０ｃを開く。
【００２４】
周知なように停止時には、マイクロコントローラがスイッチ５０ｃを閉じ、その後、カソードへの空気の供給を止めるので、電圧制限装置４５が、３つの群１０〜１２の全てのカソード酸素チャネル内の酸素を使い尽くすようにエネルギーを消費する。その後、マイクロコントローラ２５が、バルブ１６により燃料を遮断する。通常は、スイッチ５０ｃは、燃料電池スタックが作動する次回まで閉じている。
【００２５】
電圧制限装置４５は、前述の出願番号第１０／３０５，３０１号のように、単純な補助的な負荷抵抗４５ａ（図４）でもよく、または、２００３年１０月７日に出願された同時係属中の特許出願番号第１０／６８１，４９３号に開示されるように、制御装置４５ｃおよびスイッチ４５ｄのパルス幅調整する方法で繰り返し断続される負荷抵抗４５ｂ（図５）でもよい。電圧制限装置４５は、２００３年９月２３日に出願された同時係属中の特許出願番号第１０／６６９，２７３号に開示されているように、エネルギー回収や蓄積装置でもよく、これらは、バッテリ４５ｅ（図６）およびキャパシタやバックやブーストコントローラ４５ｆを含む。
【００２６】
図３は、スタック全体用の単一の電圧制限装置４５の代替として、各群がそれぞれの電圧制限装置４５ｇ〜４５ｉを有し、このような場合、各スイッチ５０ａ〜５０ｃは一度閉じると、マイクロコントローラがスイッチ５２を閉じるまで閉じた状態を保つ。
【００２７】
ここでは３つの群の配置が開示されているが、本発明を、２つの群のみ、または、３つ、４つ、それ以上の群を有するカスケード式燃料電池スタックに使用してもよい。好適には、本発明の電圧を制御する側面は、本発明のインレット燃料分配装置とともに用いるが、本発明による様々な側面は別個に用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】先行技術として周知の３つの群のカスケード燃料電池スタックの概略図である。
【図２】本発明の３つの群のカスケード燃料電池スタックの概略図である。
【図３】本発明の３つの群のカスケード燃料電池スタックの概略図である。
【図４】様々な電圧制限装置の簡素化した概略図である。
【図５】様々な電圧制限装置の簡素化した概略図である。
【図６】様々な電圧制限装置の簡素化した概略図である。
【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５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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