(57)【要約】  診断パラメータが許容可能範囲外になると、（例えばコンデンサからの）蓄積エネルギを用いて、フェイル・クローズ弁により燃料電池における水素を排出・除去する。蓄積エネルギが使い尽くされた後に弁は閉じられる。ソレノイド・スイッチ（又はソレノイド弁）のリレイ回路における安全スイッチは、コンピュータにより実施されるシャットダウンにおいて接地される。本発明の利点は、空気融和性触媒の使用、電力出力の寄生的喪失の最小化、排出後の燃料電池の内面の汚染の最小化、爆発性混合物の生成のリスクの最小化、及び、効率的動作を含む。
2007502003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
アノード入口とアノード出口とを有する燃料電池と、
前記アノード入口と流体接続された反応物燃料源と、
前記反応物燃料源と前記アノード入口との間に配置され、制御信号に応答して前記燃料電池から反応物燃料を選択的に排出する常閉弁と、
前記常閉弁と接続されたコントローラであって、前記制御信号を生成して、該制御信号がシャットダウン閾値よりも小さいときに前記常閉弁を選択的に開くシャットダウン制御回路を備えるコントローラと、
を具備する燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記常閉弁と結合されて該常閉弁を位置決めするソレノイド・スイッチを更に備え、
前記ソレノイド・スイッチが、前記制御信号が前記シャットダウン閾値以上であって前記常閉弁を閉位置に置く第１の位置と、前記制御信号が前記シャットダウン閾値よりも小さくて前記常閉弁を開位置に置き、前記反応物燃料を前記燃料電池から排出する第２の位置とを取ることができる燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記コントローラと接続された前記リレイ回路のスイッチと、前記安全スイッチに対する動作ステータス変数を定義するための前記コントローラの実行可能論理とを更に備えてなり、
前記常閉弁が前記反応物燃料を前記燃料電池から排出するよう前記実行可能論理が前記動作ステータス変数に対するシャットダウン閾値を定義するとき、前記スイッチが、前記常閉弁に対する前記シャットダウン制御回路を電気的に閉じるよう、前記リレイ回路を電気的に接地する燃料電池。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池であって、前記シャットダウン制御回路が、実質的な量の前記反応物燃料が前記燃料電池から排出されるまで前記常閉弁を開かせるに足る大きさのディスクリートなエネルギ蓄積装置を更に備える燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池であって、前記のディスクリートなエネルギ蓄積装置がコンデンサを含む燃料電池。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池であって、前記常閉弁が、前記制御信号に応答して閉位置と開位置とを取ることができるソレノイド弁である燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池であって、
前記コントローラ・コンピュータと接続された前記ソレノイド弁のリレイ回路におけるスイッチと、前記スイッチに対する動作ステータス変数を定義するための前記コントローラの実行可能論理とを更に備えてなり、
前記実行可能論理が前記動作ステータス変数に対するシャットダウン閾値を定義するとき、前記ソレノイド弁が開くよう、前記スイッチが前記リレイ回路を電気的に接地する燃料電池。
【請求項８】
請求項６に記載の燃料電池であって、前記シャットダウン制御回路が、前記反応物燃料が前記燃料電池から排出されるまで前記ソレノイド弁を開かせるに足るディスクリートなエネルギ蓄積装置を更に備える燃料電池。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池であって、前記のディスクリートなエネルギ蓄積装置がコンデンサを含む燃料電池。
【請求項１０】
燃料電池電力システムにおいて燃料電池スタックの通気を行うための方法であって、
燃料源と前記燃料電池スタックの入口との間に配置された常閉弁を設ける段階と、
燃料電池システムの診断パラメータを決定する段階と、
前記診断パラメータが許容可能動作範囲内にないときにシャットダウン制御信号を生成する段階と、
前記シャットダウン制御信号に応答して、燃料電池スタックと流体接続された常閉弁を開くことにより燃料電池スタックから反応物燃料を排出する段階と、
を備える方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法であって、実質的な量の前記反応物燃料が前記燃料電池から排出された後に前記常閉弁を閉じる段階を更に備える方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の方法であって、排出する前記段階が、前記制御信号に応答して前記ソレノイドを付勢して前記常閉弁を開き、その後、前記ソレノイドを消勢して前記常閉弁を閉じる段階を更に備える方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、
実質的な量の前記反応物燃料が前記燃料電池から排出されるまで前記常閉弁を開位置に保持するに足る電気エネルギを蓄積する段階と、
前記電気エネルギによって前記ソレノイドを開く段階と、
を更に備える方法。
【請求項１４】
蓄積する前記段階が、前記エネルギを電気的エネルギ蓄積素子に蓄積する段階を備える方法。
【請求項１５】
請求項１０に記載の方法であって、
コントローラによって前記診断パラメータを決定する段階と、
前記診断パラメータから、前記コントローラの実行可能論理によってシャットダウン制御信号を定義する段階と、
前記診断パラメータが前記許容可能範囲外にあるとき、前記コントローラから前記常閉弁へ前記シャットダウン制御信号を伝える段階と、
を更に備える方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、排出する前記段階が、前記制御信号に応答して前記ソレノイドを付勢して前記常閉弁を開き、その後、前記ソレノイドを消勢して前記常閉弁を閉じる段階を更に備える方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、
実質的な量の前記反応物燃料が前記燃料電池から排出されるまで前記常閉弁を開位置に保持するに足る電気エネルギを蓄積する段階と、
前記電気エネルギによって前記ソレノイドを開く段階と、
を更に備える方法。
【請求項１８】
蓄積する前記段階が、電気的エネルギ蓄積素子に前記電気エネルギを蓄積する段階を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池電力システムにおける燃料電池スタックのシャットダウン及び排出のための装置及び方法に関する。
発明の背景
燃料電池電力システムは燃料と酸化剤とを電気に変換する。熱い注目をあびている燃料電池電力システムの一つの形式は、燃料（例えば水素）と酸化剤（例えば空気又は酸素）を電気に変える反応を触媒作用のもとで促進するプロトン交換膜（以下、「ＰＥＭ」と呼ぶ）の使用を採用している。ＰＥＭは、燃料電池電力システムにおいて展開されている燃料電池スタックの個々の燃料電池におけるプロトンのアノードからカソードへの移動を促進する固体ポリマー電解質である。
【０００２】
燃料電池電力システム内の典型的な燃料電池組み立て体（つまり燃料電池スタック）においては、個々の燃料電池は、流体マニホールドへの入口を持つ流れ場を有する。これらは、各電池へ流入するよう燃料電池スタックにおいて反応する種々の反応物及び冷却流体のためのチャンネルを集合的に提供する。次いで、気体拡散組み立て体が最終的な流体分配を行い、流れ場の空間から反応性のアノード及びカソードへ反応物流体を更に分散させる。
【０００３】
一つ又は複数の燃料電池スタックの有効な動作における一つの要因は、協調したシャットダウンである。この点に関して、水素は燃料電池スタックの反応性アノードに供給される燃料の実質的な成分であり、シャットダウンの際には、水素を含む作動燃料が燃料電池スタックの燃料反応物チャンネルに存在する。比較的高濃度の水素ほどには本質的に可燃性ではないが、燃料電池スタックにおける残留燃料は、特に、燃料電池が或る期間に不動作である場合には、空気中の酸素と混合される可能性がある。こうした酸素の混合は、或る閾値組成において燃料電池スタック内で可燃性混合物を生成する可能性を有する。
【０００４】
２つの一般的なシャットダウン手法又はモード、すなわち、「通常」シャットダウン・モード及び「急速」シャットダウン・モードは、燃料電池システムのシャットダウン手法の範囲を表している。「通常」シャットダウンは（ａ）負荷を切り離し、（ｂ）過度の水素を消費し、（ｃ）温度変化から引き起こされる熱的歪みを最小にするようシステムを冷却するというプロセスを進行させる。「急速」シャットダウンにあっては、過度の水素を消費するのに要する時間がないよう燃料電池をシャットダウンすることを必要とする誤動作又はエラーの検出のような条件が存在する。「急速」シャットダウンが実行されると、残留燃料は改質気体又は水素を大気へ排出させることによって処理される。
【０００５】
典型的には、燃料電池電力システムの従来の燃料電池スタックにおける燃料反応物のための２つの通気ソレノイド弁が存在する。即ち、燃料を生成する燃料処理装置の出口における第１の弁と、燃料電池スタックのアノード・マニホールドにおける第２の弁である。通常動作の期間には、これらの通気弁は閉じていて水素の大気への漏れ及び／又は排出を防止する。燃料処理装置を持たない従来の燃料電池電力システムは、典型的には、スタック・アノードにおいて少なくとも１つの通気弁を使用する。「急速」シャットダウンの期間には、各通気弁は開いて水素を大気へ発散させる。この手法は潜在的なエネルギ及び熱エネルギを迅速にシステムから取り除き、燃料電池内の残留水素を排出させる。
【０００６】
従来から、これらの通気弁は、戻しスプリングによって開くようバイアスされている常開弁として設けられている。明らかなように、電力断の状態においては、これらの弁は開いているから、流体はアノード・マニホールドへ流入し、又はそこから流出することができる。このフェイル・オープンの弁は、システム電力が完全に失われた期間（通常、最も劇的な「急速」シャットダウンの状況）でさえ、システムが燃料を可燃性通気にならないよう排出するために配備される。また、明らかなように、常開弁の通気弁は、システムがオフにされたときのようにシステムがシャットダウンして電力が継続して存在しなくなった後も開いたままである。
【０００７】
しかし、常開の通気弁を使用する場合の一つの欠点は、通気弁が開いている或る特定のシャットダウンの状況においては、燃料電池マニホールドに残留水素が残存していることである。ダウン時間が長く続くと、空気が通気穴を介して流れ込み、システムの或る部分で可燃性混合物が生じることになる。また、排気を行わずに実行された「通常」シャットダウン（例えば、電力断に起因する「急速」シャットダウンへと悪化させる、制御された条件の下での「通常」シャットダウン）の後に電力故障が発生したときには、可燃性混合物が発生する可能性がある。
【０００８】
常開の通気弁を使用する場合の他の欠点は、燃料電池のシャットダウン及び電力断の後に触媒の非活性化が生じることである。この点に関しては、多数の触媒は、触媒が熱的に「熱い」ときのシャットダウン直後には特に、空気の存在下で非活性化する。この課題を処理する一つの手法は、耐気触媒を使用することである。しかし、この手法は可能な触媒の選択を厳しく制限する。他の手法は、窒素のような不活性ガスを使って活性触媒要素の上に窒素の覆いを設け、システムから水素を排出する通気機構を設けることである。こうした代替手法は、耐気性でない触媒により達成される手法よりもずっと高価な設計を要する。
【０００９】
常開の通気弁を使用する場合の別の欠点は、電力断モードにおいて、燃料処理装置及び／又はスタック・マニホールドに至る経路が塵埃その他の有害な物質にとっても使用可能であり、燃料電池の内部チャンネル又は内面が汚染されることである。こうした汚染は、汚染されていない燃料電池に比べて、電池寿命を短くし、燃料電池性能を低下させる。
【００１０】
常開の通気弁を使用する場合の更なる欠点は、燃料電池システムの制御コンピュータがフェイル・ラスト（fail-last）制御位置を確立するコントローラ・ロックアップから導き出される。この場合、常開弁の通気弁は不適切に閉位置に維持される。
【００１１】
常開の通気弁を使用する場合の更に別の欠点は、全部の常開弁が閉状態（通気弁の一次位置）を維持するよう付勢されなければならないということから導き出される。したがって、これらの常開弁の通気弁は、通常の実時間動作において燃料電池システムに寄生的な電力負担を追わせ続けることになり、全体的なシステム動作効率を低下させる。
【００１２】
必要なことは、低価格での燃料電池の協調的なシャットダウン、燃料電池電力システムにおける電力故障後の保護、シャットダウンの必要を条件が集合的に示すときの燃料反応物を排出する燃料電池スタック及び／又は燃料電池スタック群の適切なシャットダウンのための基礎、及び、燃料電池電力システムの動作の適切な効率を提供する、燃料電池からの排出・浄化のための総合的な手法である。
【００１３】
発明の概要
本発明は、燃料反応物気体を燃料反応物の流れ場から排出するよう、燃料反応物の流れ場と流体接続された常閉弁を燃料電池に設けるものである。常閉弁は、制御信号がシャットダウン閾値よりも小さいときに常閉弁を開かせるよう構成された付勢回路に動作可能に配置される。
【００１４】
方法としては、本発明は、燃料反応物の燃料反応物の流れ場からの排出が、制御信号がシャットダウン閾値よりも小さいときに常閉弁によって行われる燃料電池を提供する。また、本発明は、燃料反応物が燃料電池において安全な量まで排出された後に常閉弁を閉じることを提供する。
【００１５】
一つの形において、本発明は、ソレノイド・リレイ回路がシャットダウン閾値よりも低い電圧において付勢されたときに常閉弁が燃料電池から燃料反応物を排出するよう、制御回路において常閉ソレノイド・スイッチを使用することを提供する。他の形においては、本発明は、弁のリレイ回路と直接にリンクされた付勢回路とともにソレノイド弁を使用することを提供する。
【００１６】
また、本発明は、ソレノイド・リレイ回路における安全スイッチの使用を提供する。制御コンピュータによって出力電圧を測定し、出力電圧測定値からコンピュータ内の実行可能論理を用いて動作ステータス変数を定義し、動作ステータス変数がシャットダウン値に定義されると、安全スイッチによってソレノイド・リレイ回路を接地する。
【００１７】
また、本発明は、燃料反応物が燃料電池から排出されるまで、常閉弁を開いておくに足る大きさのディスクリート電気エネルギ蓄積装置（すなわち、コンデンサ）の使用を提供する。この点に関して、本発明は、燃料反応物が排出ステップにおいて充分なレベルまで排出されるまで、常閉弁を開状態に維持するよう充分な電気エネルギを蓄積し、蓄積された電気エネルギによって常閉弁を開いて燃料反応物を排出し、電気エネルギが使い尽くされたときに常閉弁を閉じることを提供する。
【００１８】
本発明による利点は、（ａ）空気融和性の触媒を使用する必要性の除去から生じるコスト削減、（ｂ）燃料電池スタック排出システムからの電力出力の寄生的喪失の最小化、（ｃ）排出後の内部燃料電池スタックのマニホールド及び内面の汚染の最小化、及び、（ｄ）シャットダウン後のアノードにおける可燃性空気／燃料の混合の回避である。
【００１９】
本発明の更なる応用範囲は、以後の詳細な説明から明らかになろう。理解されるように、詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施の形態を示してはいるが、単なる例示であるにすぎず、発明の範囲を限定するものではない。本発明は、詳細な説明と添付図面とから一層充分に理解されよう。
【００２０】
好ましい実施の形態の詳細な説明
好ましい実施の形態についての以下の説明は、本質的に単なる例示であり、本発明、その応用及び使用を制限するものではない。
【００２１】
一般的に、実時間コンピュータ・プロセス制御を実行して（以下に説明する）燃料電池電力システムの制御を行う。この点に関して、実時間コンピュータ処理は、イベントが実際の制限時間内に所与の反応を生じ、コンピュータの動作が外部条件及び実際の時間によって及びその前後関係内で明確に制御されるコンピュータ処理の方法として広く定義されている。プロセス制御の範囲における関連の定義として、実時間コンピュータ制御処理は、関連のプロセス制御論理判定の性能、及び、プロセスを実行する被制御装置の部分（例えば、本発明から利益を得る燃料電池）として機能するプロセス制御判定プログラムに特有の定量的動作に関係しており、プロセス制御判定プログラムは戦術的制御に対しては通常は２０ミリ秒〜２秒の間の期間を持つかなり高い頻度で周期的に実行される。
【００２２】
好ましい実施の形態は、燃料反応物を燃料電池スタックから排出するために、少なくとも一つの常閉弁を使用する。この点に関して、常閉弁は、弁のアクチュエータから電力（又は流体圧力）が失われたとき流体の伝達を防ぐよう閉じられる自動制御用の弁である。また、注意されるように、常閉スイッチは、通常はバネ荷重式のスイッチであって、バネ荷重式のスイッチの活性化リレー回路から電力（又はバネに加わる力）が失われると電流の伝達を可能にするよう位置される（電気的に閉じられる）。
【００２３】
一つの実施の形態においては、コンデンサを有する電気回路は、該回路のソレノイド・リレーが電力オフ即ちシャットダウンの条件にあるとき、リレーと機械的にリンクする（第１の）電気スイッチが所定時間にわたって「閉じて」コンデンサが弁のアクチュエータを介して放電するよう、該コンデンサによって常閉通気弁を付勢する。このコンデンサは、システムにおいて燃料電池の燃料反応物を十分なレベルまで排出するに足る期間にわたって常閉の通気弁を開いた状態に保持するサイズとされる。
【００２４】
好ましい実施の形態における通常の（つまり、非急速シャットダウン・モードの）動作期間には、実時間コンピュータ・コントローラはソレノイド・リレーを付勢して、コンピュータ・コントローラがソレノイドの第２の電気スイッチを介して実時間動作において通気弁を制御することができる位置に置く。なお、付勢されたソレノイド・リレーが、制御コンピュータと通気弁との間に第２の電気スイッチを介して第１の閉接続を提供し、コンデンサの放電を可能にするよう第１の電気的スイッチを介して第２の閉接続を提供するにもかかわらず、２個の能動電気スイッチを持つ消勢されたこの実施の形態のソレノイド・リレーは、エネルギを蓄積したコンデンサが放電できるようにする閉回路を提供する。第１の電気的スイッチを介してのコンデンサの充電回路は、ダイオードによって安定化される。
【００２５】
システムの電力が閾値よりも小さくなると、ソレノイド・リレーが解放され、第１の電気的スイッチがコンデンサをフェイル・クローズ（fail-close）弁のアクチュエータを介して放電させる位置を取る。コンデンサは、その蓄積したエネルギを完全に放電してしまうまで、蓄積したエネルギを特定の期間にわたって放電する。このエネルギ放電期間に、通気弁が付勢され、ソレノイドからの電磁力が弁のバネ力に負けて弁を閉じさせるまで、開の位置を維持する。こうして、閉じるバネに抗して開位置を維持するに足るエネルギがなくなるので、通気弁は流体的に閉じた構成を取る。この動作は燃料電池スタックを再び封じ込むことになるので、残留燃料が燃料電池から排出又は除去されてしまった後にシャットダウン状態において燃料電池のアノードが大気にさらされ続けるのを防ぐ。
【００２６】
本発明は、一般的な燃料電池電力システムとの関連で一層よく理解される。したがって、発明を記述する前に、本発明が動作する電力システムの一般的概要を述べる。このシステムにおいては、燃料処理装置で炭化水素燃料が例えば改質及び部分的酸化プロセスによって処理されて、比較的高い水素含有量（体積又はモル）を有する改質気体を生成する。したがって、水素含有というときは、比較的高い水素含有量を持つことを意味するとされる。以後、本発明を、こうした改質が行われる方法に無関係に、Ｈ２を含む改質気体によって燃料供給される燃料電池に関して記述することにする。理解されるように、ここで実現される原理は、改質可能な炭化水素、メタノール、エタノール、ガソリン等の水素含有燃料、アルカリ性或いは他の脂肪族又は芳香族炭化水素又は水素貯蔵システムを含む任意の発生源から得られたＨ２によって燃料供給される燃料電池に対して適用可能である。
【００２７】
図１に示すように、燃料電池電力システム１００は、改質可能な炭化水素燃料ストリーム１１４と水ストリーム１１６からのストリームの形の水とを触媒反応させる燃料処理装置１１２を備える。燃料処理装置のなかには、部分酸化とストリーム改質の組み合わせ反応に空気をも使用するものがある。この場合、燃料処理装置１１２も空気ストリーム１１８を受け取る。燃料処理装置１１２は一つ以上の反応器を備え、反応器においては、ストリーム１１４における改質可能な炭化水素燃料はストリーム１１６と空気ストリーム１１８（オプションとしては、酸素貯蔵タンク１１８からの酸素）との存在において解離されて水素含有改質気体を生成し、燃料処理装置１１２から改質気体ストリーム１２０において排出される。典型的には、燃料処理装置１１２は、改質気体ストリーム１２０における一酸化炭素のレベルを許容レベル（例えば２００ｐｐｍ）より小さくするのに用いられる一つ以上のダウンストリーム反応器、例えば水―気体シフト（ＷＧＳ）及び／又は優先的酸化剤反応器（ＰｒＯｘ）をも備える。Ｈ２を含有する改質気体ストリーム１２０すなわちアノード・フィード・ストリームは、燃料電池スタック・システム１２２のアノード側の流れ場に供給される。同時に、ストリーム１２４における空気の形のカソード側のストリームは、燃料電池スタック・システム１２２のカソード側の流れ場に供給される。改質気体ストリーム１２０からの水素及び酸化剤のストリーム１２４からの酸素は、燃料電池スタック・システム１２２において反応して電気を生成する。
【００２８】
燃料電池スタック・システム１２２のアノード側からのアノード排出物（廃気）１２６は幾らかの未反応の水素を含む。燃料電池スタック・システム１２２のカソード側からのカソード排出物（廃気）１２８は幾らかの未反応の酸素を含み得る。こうした未反応の気体は、電力システム１００内の種々の熱要求のための、熱エネルギの形で燃焼器１３０において回収される追加のエネルギを表す。具体的には、炭化水素燃料１３２及び／又はアノード排出物１２６は、電力システム１００の動作条件に依存して空気ストリーム１３４から又はカソード排出物のストリーム１２８から燃焼器１３０に提供される酸素によって燃焼器１３０において触媒的に又は熱的に燃焼される。燃焼器１３０は排出物のストリーム１５４を大気へ排出し、それによって生成された熱は必要により燃料処理装置１１２へ送られる。
【００２９】
通気弁１７２は、水素供給源１１２と燃料電池１２２との間のアノード・フィード・ストリーム１２０に配置される。同様に、通気弁１７４は、アノード排出物のストリーム１２６に配置される。通気弁１７２、１７４は、センサ１７０によって測定される診断パラメータが許容可能な範囲外になり、シャットダウン・プロセスを開始すべきであるとき、燃料電池スタック１２２から燃料反応物を排出するための常閉弁になる。実時間コンピュータ１６４は、センサ１７０からの信号に応答して、通気弁１７２、１７４の制御のための制御信号を発する。燃料電池スタック・システム１２２に対する水素の供給は、センサ１７０による測定値に関して、通気弁１７２、１７４の操作を介して、実時間コンピュータ１６４によって部分的に制御され、水素含有気体が燃料電池システム１２２に流入できるようにする。
【００３０】
図１には、センサ１７０が、燃料電池スタック１２２に関連した又はその内部の診断パラメータを測定するものとして図示されている。例示的なスタック診断パラメータは、電池、電池群又は電池スタックの電圧、スタック入口（即ち、アノード及びカソードの入口）での圧力差、燃料電池スタック内の湿度、燃料電池スタックの動作温度を含む。また、診断パラメータは、燃料電池スタック１２２の外部の他のコンポーネント、例えば、燃料処理装置１１２、燃焼器１３０、フィード・ストリーム１１４、１１６、１１８の燃料、空気、水と関連させてもよい。例示的なシステム診断パラメータは、コンプレッサ速度又は排気温度のような、空気フィード・ストリーム１１８を提供するエアコンプレッサの動作パラメータを含む。診断パラメータは、測定電池電圧のように、図１のセンサ１７０から直接に決定され（すなわち、測定され）てもよい。代わりに、診断パラメータを、燃料電池スタックの圧力、温度、負荷に基づいて相対湿度を計算するように、間接的に決定し（すなわち、解析又は帰納モードに基づいて計算し）てもよい。こうして、当業者は認識するように、本発明はシャットダウンを開始すべきことを表す広範な種々の診断パラメータを使用する。
【００３１】
コントローラ論理１６６は、実時間コンピュータ１６４による実時間実行のためにコンピュータ１６４において提供される。これに関しては、コントローラ論理１６６は、データ、公式情報、プログラム実行命令を保持するデータ・スキーマとしての実時間コンピュータ１６４内の「ソフトウェア」、「プログラム」、「実行可能プログラム」とも表される。好ましい実施の形態においては、コントローラ論理１６６はコンピュータ１６４の物理的メモリ記憶装置（すなわち、「ＲＯＭ」「ＲＡＭ」又はコンピュータ・ディスク）にマシン・コードで常駐する。コントローラ論理１６６は、マシン・コードを生成するようコンパイルされたソース言語プログラムから導出されるのが好ましい。物理的メモリ記憶装置はコンピュータ１６４の中央処理装置（ＣＰＵ）とデータ通信でき、コンピュータ１６４は物理的メモリからデータを読み取り、読み取ったデータを結果データへ修正し、結果データを物理的メモリに書き込む。また、コンピュータ１６４はセンサ１７０からの制御信号を読み取り、コントローラ論理１６６の規定にしたがって弁１７２、１７４へ制御信号を送る。一つの実施の形態においては、コンピュータ１６４及びコントローラ論理１６６に対する実行可能なコードはＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）として提供される。
【００３２】
センサ１７０は、燃料電池スタック１２４のシャットダウンを開始する制御信号を生成するフィードバック・センサとして用いられる。センサ１７０からの測定を介しての燃料電池動作パラメータのコンピュータによる決定は、他のフィードバック・ループ及び制御判定（図示せず）とともに、通気弁１７２、１７４の（コントローラ論理１６６において行われる）コンピュータによる制御において使用される。また、シャットダウンを開始する制御信号は１つ以上の診断パラメータの評価に基づき得る。
【００３３】
図２は、１個の通常シャットダウン・コントローラ・インタフェースと１個のエネルギ貯蔵コンデンサ３３０とにより２個の通気弁を制御するための、トリップした状態又は消勢された位置（Ｓ２）にある一つの通気弁制御回路３００を示している。制御回路３００はコントローラ・インタフェース３０２、３０４とリレイ３０６によって作動される一対のスイッチ３０８とを備えている。また、制御回路３００は抵抗３１０、ダイオード３１２、コンデンサ３３０を有する充電回路を備える。図３において、通気弁１７２、１７４は回路３００における抵抗３２０、３２２によって表されている。コンデンサ３３０は、リレイ３０６がスイッチ３０８を付勢位置（Ｓ１）に保持するとき、充電抵抗３１０及びダイオード３１２を介して充電される。なお、図３では、スイッチ３０８はＳ２位置にあり、コンデンサ３３０を放電させる。コンデンサ３３０は、リレイ３０６がスイッチ３０８をＳ２位置に置くとき、ダイオード３１２を介して開状態の常閉弁３２０、３２２へ放電する。
【００３４】
コントローラ３０４は、制御コンピュータ１６４と、コントローラ論理１６６における急速シャットダウン論理と、リレイ３０６のリレイ回路を接地するようコンピュータ１６４によって制御される安全スイッチとを表している。制御コンピュータ１６４はセンサ１７０によって出力電圧を測定し、測定された電圧から、コントローラ論理１６６の実行可能論理によって動作ステータス変数を定義し、この動作ステータス変数がシャットダウン値に定義されるときにリレイ３０６のソレノイド・リレイ回路を電気的に接地する。
【００３５】
また、コントローラ３０２は制御コンピュータ１６４と、コントローラ論理１６６における動作・通常シャットダウン論理と、スイッチ３０８がＳ１位置にあるときに実時間動作でダイオード３１６を介して弁１７２、１７４の位置を調整するようコンピュータ１６４によって制御されるトランジスタ３１４とを表している。なお、ダイオード３１６はソレノイド・スイッチ３０８の第２の電気スイッチを介して抵抗３２０、３２２へ電気を伝える。実際、回路３００は条件付きで動作する三つの個別の内部電気回路を提供し、その第１の回路はソレノイドの消勢された位置において電気的に活動状態であり、他の二つの回路はソレノイドの付勢された位置において電気的に活動状態である。これに関して注意すべきは、Ｓ２位置にある「閉状態」の消勢されたソレノイド・スイッチ３０８は、エネルギ蓄積コンデンサ３３０の放電を可能にする第１の電気的閉回路を提供し、Ｓ１位置にある「開状態」の付勢されたソレノイド・スイッチ３０８は、制御コンピュータ１６４と通気弁１７２、１７４との間に抵抗３２０、３２２を介して第２の電気的閉回路を提供し、さらに、コンデンサ３３０を充電するために抵抗３１０、ダイオード３１２とコンデンサ３３０との間に第３の電気的閉回路を提供する。
【００３６】
図１を簡単に参照すると、コンピュータ１６４と各通気弁１７２、１７４との間に制御線が描かれている。これらの制御線は、図２における個々のコントローラ出力３０２、３０４をまとめて示すと共に、図３及び図４において各弁に対して示された通常シャットダウン・コントローラと急速シャットダウン・コントローラとの分割をも示している。なお、図１においては、電力喪失リレイ３０６と双投のスイッチ３０８（図２〜図４に示す）はコントローラ１６４内にあり、したがって図示されていない。
【００３７】
図２の考察に戻って、ソレノイド・スイッチ３０８がＳ１位置にあるとき、コンデンサ３３０は回路３００の充電抵抗３１０とダイオード３１２を介して充電される。スイッチ３０８のＳ１位置においては、コンデンサ３３０の放電はダイオード３１２によって阻止される。回路３００での電圧降下は正電圧源３４０と負電圧ドレイン３４２との間の差である。
【００３８】
回路３００の考察から、コントローラ３０２、３０４、ダイオード３１６、抵抗３２２を省略し、スイッチ３０８が充電抵抗３１０とコンデンサ３３０との間にあるＳ１位置と、コンデンサ３３０、ダイオード３１４と抵抗３２０との間にあるＳ２位置とを取る単一接点を提供すると、簡単化された通気システムの実施形態が可能になる。こうした実施形態においては、センサ１７０の測定に応答した通気弁１７２の実時間コンピュータ制御も安全スイッチによるシャットダウンも行われない。しかし、こうした実施形態は、反応物気体を燃料反応物の流れ場から排出するよう、燃料電池スタック１２２の燃料反応物の流れ場と流体接続された常閉弁１７２を提供する。この場合、常閉弁１７２は、スイッチ３０８をＳ１位置に保持するようリレイ３０６のバネを維持するのに要するシャットダウン閾値電圧よりも小さい電圧を出力電圧が有するとき、常閉弁１７２を開くよう構成された付勢回路に配置される。
【００３９】
ここで図３を参照すると、代替の実施の形態は、制御回路３００と同様の通気弁制御回路４００を示している。制御回路４００はトリップした位置（放電コンデンサ４３０に接続されるＳ２位置）にあるが、通常シャットダウン・コントローラ・インタフェース３０２、３０４と１個のエネルギ蓄積コンデンサ４３０とにより通気弁１７２、１７４を制御するものである。この回路は回路３００から導出されており、多くの要素は図２から再使用されているので同じ数字が付されている。しかし、コントローラ４０２及びダイオード４１０は、抵抗３０２、３０４で表された通気弁１７２、１７４を個別に独立に且つ実時間に操作することができるよう、コントローラ３０２及びダイオード３１６に対して並列に構成されている。なお、ソレノイド・スイッチ４０４はソレノイド・スイッチ３０８の２個の接点の代わりにリレイ３０６の３個の接点を有する。
【００４０】
図４を参照すると、代替の実施の形態は、回路３００、４００と同様の二重通気弁制御回路５００を示している。制御回路５００はトリップした状態（コンデンサを放電するＳ２位置）にあるスイッチ３０８、５０８をそれぞれ示しており、２個の通常シャットダウン・コントローラ・インタフェース３０２、４０２と２個のエネルギ蓄積コンデンサ５３０、５３２とによって通気弁１７２、１７４１を制御するためのものである。コントローラ３０４は、制御コンピュータ１６４と、コントローラ論理１６６の急速シャットダウン論理と、リレイ３０６のリレイ回路を接地するためにコンピュータ１６４によって制御される安全スイッチとを表す。コントローラ５０２は、制御コンピュータ１６４と、コントローラ論理１６６の急速シャットダウン論理と、リレイ５０４のリレイ回路を接地するためにコンピュータ１６４によって制御される安全スイッチとを表す。図４の二重回路は、抵抗３２０、３２２によって表される弁１７２、１７４を完全に独立に制御する点を除いては、回路３００の本質的な複写として理解される。この配置は各弁に対する全回路素子の特注のサイズ決め及び独立のサイズ決めを提供するので、例えば、抵抗３１０と抵抗５０６とは独立にサイズ決めされ、コンデンサ５３０、５３２は充電抵抗３１０、５０６及びダイオード３１２、５１２とともに独立にサイズ決めされ、放電ダイオード５２０、５２２は独立にサイズ決めされるので、弁１７２、１７４を完全に独立に動作させることができる。コントローラ５０２、４０２、３０４、３０２における実行可能な論理１６６の完全に独立した実行可能論理セクションも、回路５００において動作可能にされる。
【００４１】
理解されるように、代替の実施の形態においては、燃料電池電力システム１００の制御とシャットダウンを提供する際、他の制御素子（図示せず）もコンピュータ１６４によって調整される。一つの実施の形態においては、例えば、通常シャットダウンにおいて窒素排出を行って残留水素を燃料電池スタック１２２から強制的に放出する。別の実施の形態においては、燃料電池スタック１２２と弁１７２との間を流体接続する前に燃料処理装置１１２との間で阻止弁が閉じられ、これにより、燃料処理装置１１２はシャットダウン期間には燃料電池スタック１２２から切り離される。
【００４２】
ここに記述した発明の利点は、燃料電池のシャットダウンを提供すること、燃料電池電力システムでの電力故障の後に触媒を保護すること、適切なシャットダウンの必要性を状態が集合的に示すときに燃料電池スタック及び／又は燃料電池スタック群を適切にシャットダウンするための基礎を提供すること、及び、排出システムにおいて寄生的電力使用が最小になるにつれて燃料電池電力システムの動作の最適な効率を提供することである。また、燃料電池スタックの内部通路での空気及び汚染物と残留水素とのシャットダウン後の混合は、排出後に通気弁を閉じた後には防止される。燃料電池の構成要素の「ドミノ効果」を最小にすることも、シャットダウンの際の適切な排気管理から得られる副次的な効果である。実施の形態の中には、迅速な再始動を可能にするため、充分な水素を燃料電池システムに保持するようにコンデンサを設計するものがある。また、本発明は、燃料電池電力システムの燃料処理装置に空気感応触媒を配置する設計オプションを可能にする。
【００４３】
本発明についての記述は本質的に単なる例示であり、発明の要旨から逸脱しない変形は本発明の範囲内にあるものとする。こうした変形は発明の精神及び範囲からの逸脱とはみなされない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】燃料電池電力システムのブロック図を示す図である。
【図２】１個の通常シャットダウン・コントローラ・インタフェースと１個のエネルギ蓄積コンデンサとによって２個の通気弁を制御するための、トリップ状態（回路のコンデンサを放電する閉位置）にある通気弁制御回路を示す図である。
【図３】２個の通常シャットダウン・コントローラ・インタフェースと１個のエネルギ蓄積コンデンサとによって２個の通気弁を制御するための、トリップ状態（回路のコンデンサを放電する閉位置）にある通気弁制御回路を示す図である。
【図４】２個の通常シャットダウン・コントローラ・インタフェースと２個のエネルギ蓄積コンデンサとによって２個の通気弁を制御するための、それぞれトリップ状態（回路のコンデンサを放電する閉位置）にある二重通気弁制御回路を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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