(57)【要約】【課題】現存の燃料電池システムに対する代替案を提供する。携帯燃料電池システムの構成における改良を提供する。【解決手段】動作の際に発熱する構成要素から動作の際に低温化する構成要素へ熱移送を可能にするようにシステム構成要素を配置した燃料電池システム。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作の際に発熱する構成要素から、動作の際に低温化する構成要素へ熱移送を可能にするようにシステム構成要素を配置した燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池スタックと、制御電子機器と、水素キャニスタと、を具備し、水素の放出の際に低温化する前記水素キャニスタを、使用の際に発生する熱により加温できるように前記スタック及び／又は制御電子機器を配置する請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
燃料電池スタックと、燃料キャニスタのマウントと、を具備し、前記マウントは、使用の際、前記マウントに設置された前記燃料キャニスタに前記燃料電池スタックからの熱を移動するように構成される請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
ケーシングと、前記燃料スタックのマウントと、をさらに具備し、燃料キャニスタの前記マウントが前記ケーシング内の前記燃料スタックの前記マウントの上部に配置され、使用の際、前記燃料スタックからの熱が上昇し、前記ケーシング内に設置された前記燃料キャニスタを加熱する請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記複数のマウントがフレームを有し、該フレームが前記システムの電気構成要素を保持し、使用の際、前記燃料電池スタック及び電気構成要素からの熱が上昇し、前記ケーシング内に設置された前記燃料キャニスタを加熱するように配置する請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
さらに、少なくとも一の空気流ガイド部材を前記ケーシング内に有し、使用の際、前記燃料電池スタックを取り巻く空気を加熱することにより、熱が上昇し、その加熱空気を前記少なくとも一の空気流ガイド部材により前記ケーシング内に設置された前記燃料キャニスタに導くように配置される請求項４又は５に記載のシステム。
【請求項７】
携帯ケーシングと、前記ケーシングに設置される燃料電池スタックと、前記ケーシング内の燃料キャニスタのマウントと、前記ケーシング内の電気構成要素のマウントと、を具備し、前記燃料電池、電気構成要素及び前記燃料キャニスタマウントに設置された燃料キャニスタが積み重ねられて配置され、これにより、使用の際、前記電気構成要素及び燃料スタックからの熱が上昇し前記燃料キャニスタを加熱する燃料電池システム。
【請求項８】
燃料ラインに結合されるコネクタと、燃料キャニスタを該コネクタに結合係止するようにガイドする手段と、を具備する燃料電池システム。
【請求項９】
前記コネクタから前記キャニスタを分離するように動作可能な手段を含む請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
燃料キャニスタのコネクタに接続されるコネクタを端部に有する燃料電池スタックに接続される燃料供給ラインと、前記燃料供給ラインの前記コネクタと該燃料キャニスタコネクタの前記コネクタが接続する設置位置に前記燃料キャニスタを案内するガイド配置と、を含む燃料電池システム。
【請求項１１】
前記コネクタは、前記燃料キャニスタの前記コネクタを前記燃料供給ラインの前記コネクタ側へ移動することによりコネクタ同士の接続を分離するプッシュ・フィットコネクタであり、当該システムは更に前記燃料キャニスタの前記コネクタを前記燃料供給ラインの前記コネクタ側に移動させる仕組みを有する請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記仕組みが回転カム部材を含んでいる請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
燃料電池システムと共に使用される燃料キャニスタであって、該キャニスタ内の燃料の量に関するデータを記録するように動作可能な手段を含む燃料キャニスタ。
【請求項１４】
請求項５の前記キャニスタを利用するための燃料電池システムであって、キャニスタ内の燃料の量を推定する（少なくとも概算する）ように動作可能な手段と、前記キャニスタ内の燃料の推定量に関するデータを該キャニスタに書き込み動作可能な手段と、を含む燃料電池システム。
【請求項１５】
燃料電池システムの燃料キャニスタ内の燃料の量を推定する方法であって、前記キャニスタ内の全燃料を用いて燃料電池システムから出力可能な電力を示すデータを該キャニスタから読み取り、前記キャニスタと前記燃料電池システムが使用される際、外部装置により消費される電力を監視し、前記キャニスタから読み取られる前記電力データから前記消費された電力を差し引くことにより、前記燃料キャニスタ内に残る燃料の量を推定する方法。
【請求項１６】
コントローラとデータ読取り器とを含む燃料電池システムであって、前記データ読取り器は、該システムに接続される燃料キャニスタにより保持されるデータ格納部からデータを読み取るよう動作可能であり、前記コントローラは該システムから出力される電力を監視し、前記格納部から読み取られる前記データと前記電力出力とに基づいて、前記燃料キャニスタ内の燃料の量の指示を決定するように動作可能である燃料電池システム。
【請求項１７】
前記データ読取り器は読取り／書込み装置であり、前記格納部にデータを書き込み、該格納部に格納されるデータを修正するように動作可能である請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
燃料電池システムであって、燃料電池スタックと、該スタックに水素燃料を供給する水素供給源と、該スタックに空気を供給する配置と、該システムの起動に際し、空気が該スタックに供給されるまで水素の供給を制限するように動作可能なコントローラと、を具備する燃料電池システム。
【請求項１９】
燃料電池システムであって、燃料電池スタックと、該スタックに水素燃料を供給する水素供給源と、該スタックに空気を供給する配置と、システムの停止に際し、水素の供給を制限しつつ、空気の前記スタックへの供給を制限する前に、空気の該スタックへの供給を継続して残留水素を追い出すように動作可能なコントローラと、を具備する燃料電池システム。
【請求項２０】
燃料電池システムであって、コントローラは、起動後、燃料電池スタックが生成する電圧を監視し、該システムの一以上の他の電気構成要素への電力の供給を、前記生成する電圧が前記一以上の構成要素を駆動するのに十分となるまで、選択的に制限するように動作可能である燃料電池システム。
【請求項２１】
前記コントローラは、前記燃料電池スタックが生成する前記電圧が降下すると、一以上の前記構成要素への前記電力供給を選択的に制限するようにも動作可能である請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
燃料電池スタックと、前記スタックへの投入燃料となる混合空気を供給するために、該スタックから放出される酸素欠乏空気と酸素を多く含む空気とを可変割合で混合する手段と、前記混合空気を前記スタックに供給する手段と、を含む燃料電池システム。
【請求項２３】
前記混合空気の湿度を測定する手段を含む請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記測定された湿度に基づいて、前記混合空気中の酸素を多く含む空気に対する酸素欠乏空気の割合を自動的に変更する手段を含む請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記燃料電池スタックの電圧出力を監視するように動作可能な手段を含む請求項２２に記載のシステム。
【請求項２６】
前記入力された混合空気中の酸素を多く含む空気に対する酸素欠乏空気の割合を自動的に変更する手段を含み、前記出力電圧を最適化するために前記電圧監視手段が該変更手段に前記混合空気の割合を変更するように指示するように構成される請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
燃料電池スタックと、前記スタックへの投入燃料となる混合空気を供給するために該スタックからの放出される酸素欠乏空気と酸素を多く含む空気とを可変割合で混合する装置と、前記混合空気を前記スタックに供給する装置と、を含む燃料電池システム。
【請求項２８】
前記混合空気の湿度を検知する機器を更に具備する請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記混合装置は、前記混合空気中の酸素を多く含む空気に対する酸素欠乏空気の割合を前記湿度検知機器により検出された湿度に基づいて自動的に変更する請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記燃料電池スタックの電圧出力を監視する装置を更に具備する請求項２７に記載のシステム。
【請求項３１】
前記混合装置は、前記混合空気中の酸素を多く含む空気に対する酸素欠乏空気の割合を前記電圧出力に基づいて自動的に変更する請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
燃料電池システムであって、
燃料空気を取り込むインレットと排出空気の排気アウトレットを有する燃料電池スタックと、
前記排気アウトレットに接続される第一インレットと、比較的酸素含有量が多い空気供給を受ける第二インレットと、当該空気ミキサーからの前記燃料空気の供給のために前記燃料電池スタックのインレットに接続されるアウトレットと、を有する空気ミキサーと、
該燃料システムの少なくとも一の動作パラメータを監視し、前記空気ミキサーにより、前記燃料空気中の排出空気と比較的酸素含有量が多い空気の割合を前記少なくとも一の動作パラメータに基づいて変更させるコントローラと、を具備する燃料電池システム。
【請求項３３】
前記少なくとも一の動作パラメータが該システムの電圧出力であり、前記コントローラは前記電圧出力を検出するための電圧検出装置に接続されている請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記少なくとも一の動作パラメータが前記燃料空気の湿度であり、前記コントローラは前記燃料空気の湿度を検知する装置に接続されている請求項３２又は３３に記載のシステム。
【請求項３５】
燃料電池スタックと、該スタックから排出される比較的水分含有量が多くかつ酸素欠乏の空気流から水分を抽出する装置と、前記抽出された水分の蒸発を促進する手段と、を具備する燃料電池システム。
【請求項３６】
前記促進する手段は、前記抽出された水分を、該システムの一又はそれ以上の比較的高温の構成要素に経由させるように動作可能である請求項３５に記載のシステム。
【請求項３７】
前記促進する手段は、前記抽出された水分を、一又はそれ以上のファンを経由させるように動作可能である請求項３５に記載のシステム。
【請求項３８】
前記促進する手段は、前記抽出された水分を、該システムの一又はそれ以上の比較的高温の構成要素及び一又はそれ以上のファンに経由させるように動作可能である請求項３６又は３７に記載のシステム。
【請求項３９】
燃料電池スタックと、該スタックから排出される比較的水分含有量が多くかつ酸素欠乏の空気流から水分を抽出する手段と、前記抽出された水分の蒸発を促進する手段と、を具備する燃料電池システム。
【請求項４０】
前記促進する手段は、前記抽出された水分を、該システムの一又はそれ以上の比較的高温の構成要素に経由させるように動作可能である請求項３９に記載のシステム。
【請求項４１】
前記促進する手段は、前記抽出された水分を、一又はそれ以上のファンを経由させるように動作可能である請求項３９に記載のシステム。
【請求項４２】
前記促進する手段は、前記抽出された水分を、該システムの一又はそれ以上の比較的高温の構成要素及び一又はそれ以上のファンに経由させるように動作可能である請求項３９又は４０に記載のシステム。
【請求項４３】
燃料電池スタックと、前記スタックに接続され、該スタックからの排出空気を受け取り、該排出空気から水分を抽出する機器と、前記機器に接続され、前記抽出された水分を受取り、該回収された水分の蒸発を促進する部材と、を具備する燃料電池システム。
【請求項４４】
前記部材は、前記スタックからの熱により蒸発を促進するために、前記スタック近傍の位置に前記回収された水分を導く導管を有する請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
前記導管は、吸収部材を有する請求項４４に記載のシステム。
【請求項４６】
前記部材は、前記回収水分を少なくとも一つのファンからの空気流に露出する位置に導くように構成された導管を具備する請求項４３に記載のシステム。
【請求項４７】
前記導管は、吸収部材を有する請求項４６に記載のシステム。
【請求項４８】
燃料電池システムであって、
燃料スタックと、
前記燃料スタックに接続され、使用の際、前記燃料スタックから熱を受取るように配置された水素化物燃料供給キャニスタと、を備え、該水素化物燃料キャニスタは該キャニスタに関するデータを格納するデータ格納部を有し、更に、
前記格納部に格納されるデータを読むためのデータ読取り器と、
前記データ読取り器に接続され、当該燃料システムによる電力出力を決定するように動作可能なコントローラと、を具備し、該コントローラは、前記格納部から読出されるデータと前記電力出力に基づいて、前記キャニスタ内にある燃料の量の指示を決定するように動作可能である燃料電池システム。
【請求項４９】
燃料電池システムであって、
燃料空気を受け取るためのインレットと排出空気の排気アウトレットを有する燃料スタックと、
前記燃料スタックに接続され、使用の際、前記燃料スタックから熱を受取るように配置された水素化物燃料供給キャニスタと、を備え、該水素化物燃料キャニスタは該キャニスタに関するデータを格納するデータ格納部を有し、更に、
前記格納部に格納されるデータを読むためのデータ読取り器と、
前記データ読取り器に接続され、当該燃料システムによる電力出力を決定するように動作可能なコントローラと、を具備し、該コントローラは前記格納部から読出されるデータと前記電力出力に基づいて、前記キャニスタ内にある燃料の量の指示を決定するように動作可能であり、更に、
前記排気アウトレットに接続される第一インレットと、比較的酸素含有量が多い空気供給を受ける第二インレットと、当該空気ミキサーからの前記燃料空気の供給のための前記燃料電池スタックインレットに接続されるアウトレットと、を有する空気ミキサーを具備し、
前記コントローラは、前記燃料システムの少なくとも一の動作パラメータを監視し、該少なくとも一の動作パラメータに基づいて前記空気ミキサーに前記燃料空気中の排出空気と比較的酸素含有量が多い空気の割合を変更させる燃料電池システム。
【請求項５０】
燃料システムであって、
燃料空気を受け取るためのインレットと排出空気の排気アウトを有する燃料スタックと、
前記燃料スタックに接続され、使用の際、前記燃料スタックから熱を受取るように配置された水素化物燃料供給キャニスタと、を備え、該水素化物燃料キャニスタは該キャニスタに関するデータを格納するデータ格納部を有し、更に、
前記格納部に格納されるデータを読み、該格納部に新データを書き込む読取り／書込み器と、
前記読取り／書込み器に接続され、当該燃料システムによる電力出力を決定するように動作可能なコントローラと、を具備し、該コントローラは前記格納部から前記読取り／書込み器により読み出されるデータと前記電力出力に基づいて、前記キャニスタ内にある燃料の量の指示を決定し、前記キャニスタ内にある燃料の量の前記指示に基づいて前記格納部に新データを書き込むように動作可能であり、更に、
前記排気アウトレットに接続される第一インレットと、比較的酸素含有量が多い空気供給を受ける第二インレットと、当該空気ミキサーからの前記燃料空気の供給のための前記燃料電池スタックインレットに接続されるアウトレットと、を有する空気ミキサーを具備し、
前記コントローラは、前記燃料システムの少なくとも一の動作パラメータを監視し、該少なくとも一の動作パラメータに基づいて前記空気ミキサーに前記燃料空気中の排出空気と比較的酸素含有量が多い空気の割合を変更させる燃料システム。
【請求項５１】
燃料システムであって、
燃料空気を受け取るためのインレットと排出空気の排気アウトを有する燃料スタックと、
前記燃料スタックに接続され、使用の際、前記燃料スタックから熱を受取るように配置された水素化物燃料供給キャニスタと、を備え、該水素化物燃料キャニスタは該キャニスタに関するデータを格納するデータ格納部を有し、更に、
前記格納部に格納されるデータを読み、前記格納部に新データを書き込む読取り／書込み器と、
前記読取り／書込み器に接続され、当該燃料システムによる電力出力を決定するように動作可能なコントローラと、を具備し、該コントローラは前記格納部から前記読取り／書込み器により読み出されるデータと前記電力出力に基づいて、前記キャニスタ内にある燃料の量の指示を決定し、該キャニスタ内にある燃料の量の前記指示に基づいて前記格納部に新データを書き込むように動作可能であり、更に、
前記排気アウトレットに接続される第一インレットと、比較的酸素含有量が多い空気供給を受ける第二インレットと、当該空気ミキサーからの前記燃料空気の供給のための前記燃料電池スタックインレットに接続されるアウトレットと、を有する空気ミキサーを具備し、前記コントローラは、当該燃料システムの少なくとも一の動作パラメータを監視し、該少なくとも一の動作パラメータに基づいて前記空気ミキサーに前記燃料空気中の排出空気と比較的酸素含有量が多い空気の割合を変更させ、更に
前記コントローラに接続され前記燃料空気の湿度を検出する湿度検出器を具備し、前記少なくとも一の動作パラメータは前記燃料空気の湿度を含んでいる燃料システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は広く、燃料電池システムの改良に関する。燃料電池システムは一般に、反応物質を一以上の燃料電池に投入し電気エネルギーを生成する装置として定義され、本発明の態様は、取り分け、しかしながらそれだけという訳ではないが、ある特殊な型の燃料電池システム、即ち、いわゆる陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池を用いる燃料電池システムに応用可能である。
【０００２】
本分野では周知のように用語「燃料電池」の使い方についてある種の混乱がある。特に、この用語は一般に単体の電池を意味すると同時に、上記単体の燃料電池が一またはそれ以上からなる、発電システムを与える構成要素全体を指すこともある。以後、用語「燃料電池」は単体の燃料電池を指すものとし、用語「燃料電池システム」がシステム全体を指すものとする。
【背景技術】
【０００３】
単独のＰＥＭ燃料電池においては、二つの半電池反応が同時に起こる。これらの反応はアノードで起こる酸化反応とカソードで起こる還元反応からなる。これらの反応が水素及び酸素から水を生成する燃料電池のレドックス（酸化還元）反応全体を構成する。
【０００４】
ＰＥＭ燃料電池のアノード及びカソードは電解質（一般に、膜内に保持される固体酸）により隔離され、該電解質はプラチナ等の適当な触媒で両側ともに被覆されている。一般にアノード及びカソードには触媒の表面上に水素を分散可能にするチャンネルが形成される。電解質は一般に水等のイオン輸送流体で飽和され、水素イオンがアノードからＰＥＭを経由しカソードへ通り抜けることが出来る。
【０００５】
図１は、ＰＥＭ燃料電池１等の概略透視図であり、アノード３、ＰＥＭ５、カソード７及び触媒層９を示す。図示するように、電気回路がアノード３及びカソード７の間に接続され、負荷１１を駆動する電流を流す。電気回路は燃料電池自体の一部を構成するものではないが、説明のために記載した。
【０００６】
アノードにおいて水素分子は触媒に接触し、そこで、水素分子は分解し上記レドックス反応の酸化側で電子を放出する。放出された電子は外部電気回路を経由してカソードに至る。この電子の流れが負荷を駆動する電流となる。投入水素燃料は本システムにて消費され、セルのアノード側の「排気」アウトプットは通常バルブにより閉じられ、そのバルブは間欠的にのみ開けられ、上述の水素供給チャンネルに半透過性ＰＥＭを経由したイオン輸送流体を分散する。簡単のため図１では開放水素排気を有するセルを記載する。
【０００７】
アノードの残りの水素イオンはそれぞれ、一水分子（又は同等のイオン輸送分子）と結合し、ヒドロニウムイオン（Ｈ３Ｏ＋）を生成し、これがＰＥＭを経由してセルのカソード側に移動する。
【０００８】
カソード側では、（触媒と接触して）酸素分子が分解し、各酸素原子が二つの（アノードから外部回路を経由して移動した）電子及び二つの（ＰＥＭを経由して移動した）陽子と結合し１分子の水を生成する。典型例では燃料としては、純粋な酸素ではなく空気が用いられる。
【０００９】
レドックス反応は発熱反応であり、そのためセルが１００℃に近い温度に達することもある。
【００１０】
使用する材料にもよるが、単体の燃料電池は通常１ボルトオーダーの電圧を生成することが出来る。その結果、通常、単体の燃料電池は複数の同じ燃料電池を直列にして（所謂「スタック」で）動作させ、結果として生じる電圧を加算することが出来る。燃料電池スタックはカナダのブリティッシュコロンビア州バーナビー・コマースコート８６５８のパルカン燃料電池社（Ｐａｌｃａｎ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ  Ｌｔｄ，  ８６５８，  Ｃｏｍｍｅｒｃｅ  Ｃｏｕｒｔ，  Ｂｕｒｎａｂｙ，  Ｂｒｉｔｉｓｈ  Ｃｏｌｕｍｂｉａ，  Ｃａｎａｄａ  Ｖ５Ａ４Ｎ６）又は米国のプロトニクス社（Ｐｒｏｔｏｎｉｃｓ  Ｃｏｒｐ）等の供給業者から市場にて入手可能である。
【００１１】
アノード及びカソードのそれぞれにおける化学反応は以下のように記述出来る。
アノード側：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード側：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全体反応は：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
【００１２】
図２は、従来に提案されている燃料電池システムの中心となる構成要素の概略図であり、この例では、携帯ＰＥＭ燃料電池システムを示す。
【００１３】
図示するように、典型的な燃料電池システムは、中心となる構成要素として、生成電圧が加算されるように、直列に接続した複数の単体燃料電池１（図１に示す如く）を含む、所謂燃料電池スタック１３を含む。
【００１４】
水素源が必要であるが、最近では、金属水素化物キャニスタ１５から水素ガスを抽出することが知られている。ＰＣ−１５０という、適当なキャニスタがパルカン燃料電池社により供給されている。これらのキャニスタは、金属水素化物を保持し、キャニスタ側のバルブが開かれると水素ガスを放出する。その他の適当な金属水素化物キャニスタとしては、米国４８３０９、ミシガン州、ロチェスタヒルズ、ウォータービュードライブ、２９８３のテキサコオヴォニック、ハイドロゲンシステムズ社（Ｔｅｘａｃｏ  Ｏｖｏｎｉｃ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ＬＬＣ，  ２９８３  Ｗａｔｅｒｖｉｅｗ  Ｄｒｉｖｅ，  Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ  Ｈｉｌｌｓ，  Ｍｉｃｈｉｇａｎ  ４８３０９，  ＵＳＡ）又は、ヴォラーエナジー社（Ｖｏｌｌｅｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｌｔｄ）から入手可能である。勿論、ボンベからの加圧水素ガスを用いることも可能であるが、キャニスタを使用することにより、同等量のガスを供給するボンベよりずっと小さいキャニスタで、しかも爆発の危険性を著しく低減出来るという利点がある。
【００１５】
キャニスタ１５と燃料電池スタック１３の間には、バルブ１７及びレギュレータ１９が配置され、これらにより、水素燃料のスタック１３への供給が制御される。酸素（空気）は大気からポンプ２１により燃料電池に注入される。大気からの酸素を利用することにより、より多くイオンを流すためにＰＥＭを適度な飽和状態に維持するよう促す水蒸気を大抵の環境において、大気は少なくともその一部として含むという利点がある。
【００１６】
スタック１３を経由して空気を確実にポンプ注入する別の方法として、空気をスタックに吹きつける又はスタックを経由して空気を吸引するように動作する単独又はそれ以上のファンを設けることが考えられるが、ここでの構成では、ファン（図示せず）は、単にスタック１３を冷却し、動作中のセルから（換気孔２３を介して）排出される湿った空気の分散を促進する手段として用いられているにすぎない。
【００１７】
電気エネルギーはスタック１３から、負荷２７に接続される電力調節装置２５に出力される。一般に電力調節装置２５は、従来のメインプラグソケット構成、例えば、標準ＵＫ３ピンまたは、大陸式２ピン構成の手段等、により、負荷に対し接続される。スタック１３は直流を生成し、その電圧は課される負荷に顕著に依存するので、電力調節装置はＤＣ−ＤＣコンバータを含み、これにより、スタックからの直流出力を安定した直流電圧に変換するよう動作可能である。この安定直流電圧はＤＣ−ＡＣコンバータにより交流に変換され、セルが安定交流、好ましくは標準２４０又は１１０ボルト、５０ヘルツの交流を供給可能にする。
【００１８】
図２に示すように、燃料電池システムの各機器は電力調節装置に接続され、これらはその動作電力を（調節前、或いは調節後に）電力調節装置から得る。本燃料電池システムでは、酸素（空気）の流れがセル内に確立されるまでは電流が生成されないので、ポンプを駆動するための十分な電流をセルが発電可能になるまでエアポンプを駆動するための、充電式電力供給源２９が備えられている。充電式電力供給源は、セルの出力により継続的に充電される。
【００１９】
コントローラ３１はセルの正しい動作を監督し、前記レギュレータ、バルブ、ポンプ、ファン、及び該システムのその他の構成要素を制御するように構成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
動作する燃料電池システムの実施においては多くの考慮すべき潜在的課題がある。例えば、スタック内のＰＥＭ層が適度に飽和されていることを確認することが重要である。イオン輸送材が不足すると、水素イオンがアノードからカソードへ拡散移動する度合いを阻害し、その結果、燃料電池システム全体としての出力に影響を与えるからである。同様に（セルのアノード側、カソード側のいずれかに）過剰なイオン輸送材があるとセル内の燃料の流れを阻害し、その結果、出力に影響を与える。
【００２１】
さらに考慮すべき点は、使用に際して、水素が水素化物から分離する際に金属水素化物キャニスタが著しく低温になり、この低温化により水素が分離する速度が急速に低下することが挙げられる。この過程が継続すると、キャニスタにおける水素供給が消耗しきっていないにもかかわらず、キャニスタは直ぐに水素を供給しない状態に陥ってしまう。
【００２２】
反対に、通常の燃料電池システムのスタックは（レドックス反応の発熱する性質により）急速に温度が上昇し、もし、管理されていなければ、個々の燃料電池の構造に永続的なダメージを及ぼす状態を引き起こしてしまう。燃料電池スタックは、周知のごとく高価であり、それゆえ、スタックをオーバーヒートさせないようにすることが非常に重要である。また、オーバーヒート温度に達するまでに十分余裕のあるスタックの温度は、ＰＥＭ層の飽和度、即ち、燃料電池システムの出力全体に貢献する因子であることを確認しておく。
【００２３】
さらなる関心事としては、水素化物キャニスタの消耗状態を見極めることの難しさがある。これは、燃料電池システムの動作における、燃料の全消費量に対する、それ故、燃料電池システム全体の動作コストに対する、様々な問題を含む。燃料が放出される際に変化するキャニスタの性質はキャニスタの磁気特性だけであり、これは周知の如く一貫して測定することが難しい。
【００２４】
このような燃料電池システムを設計する際に考慮すべき更なる課題として、スタックに供給するパイプへのキャニスタの接続方法がある。典型例では、オスコネクタを用い、これに、キャニスタに保持されるメスコネクタが取り付けられる。このような構成に伴う問題点として、コネクタのメスコネクタ部が非常に破損しやすく、これがおこると、キャニスタをうまく使用出来なくなるという問題がある。キャニスタが比較的高価であるとすれば、これは出来る限り避けたいことである。
【００２５】
さらには、典型的な燃料電池システムの様々な構成部材を適切に管理することが必要である。典型的なシステムでは、ユーザーがシステムを比較的高いレベルで熟知する必要があり、システムの構成部材及びシステム全体が動作する仕組みに詳しい者にはなんら障害はないが、他方、一般の人々がこのようなシステムを広く利用するには障害となり得る。そのため、利用者にとって使いやすい制御機構が望まれる。
【００２６】
さらには、スタック内の燃料の流れの適切な制御も考慮すべきことである。水素は潜在的に取扱が危険な燃料であり、そのため、未使用の水素の漏れは可能な限り避けなければならない。例えば、スタックにポンプで空気を注入する以前にスタックに水素が貯まるようなことはあってはならない。これは、このような蓄積が危険であるだけでなく、燃料の無駄でもあるからである。更に、動作終了の際に電気的負荷をスタックに接続したままにしておくと、動作終了の際アノード側に残っている水素が漸次消費され、スタックのアノード側で危険な低圧状態が生ずる。
【００２７】
本発明の目的は上記に概説した問題点のいくつか又は全てを扱うものであり、現存の燃料電池システムに対する代替案を提供する。本発明の実施例は携帯燃料電池システムの構成における改良を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明の種々の態様は、付随する独立請求項に説明されている。これらの各態様の好適な特徴は、独立請求項に従属する請求項及び出願の他の部分において説明されている。ここで述べる特徴の組み合わせも付随する請求項に開示されるが、本発明の範囲は、特定の組み合わせ又は変更が請求項に明確に記載されているか否かにかかわらず、ここで述べた特徴の如何なる組み合わせ、または変更にも及ぶものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明を十分に理解できるように、本発明の実施の形態を図面を参照にして以下に記述するが、これらの実施の形態は例示としてのみ与えられるものとする。
【００３０】
以下、本発明の様々な態様を以下の小見出し毎に、特にＰＥＭ燃料電池システムを例示し記述する。しかしながら、これは純粋に説明目的であり、当業者にとっては、これらの実施例の教示するところは他の型式の燃料電池システムにも応用可能であることは明白であるが、その結果、ここでのＰＥＭ燃料電池システムへの言及を本発明の態様を他の型式の燃料電池システムに用いるものであると解釈すべきではない。
【００３１】
構成要素の配置
上述したように、燃料電池システムの設計者が直面する一つの問題点として、水素がキャニスタから放出される際にキャニスタが著しく低温化し、これがキャニスタからの水素の放出速度に影響を与えるという問題がある。別の問題点としては、レドックス反応は発熱反応であるので、スタックの温度は上昇傾向にあり、スタックが永久に損傷する温度に達する可能性がある。また、更には、前述のＤＣ−ＤＣコンバータ及びＤＣ−ＡＣコンバータ等を含む制御電子機器が自発的に高温になり、本システム全体の温度制御問題点を増すことが考えられる。
【００３２】
これらの問題を緩和するために、本発明の態様は、動作中に発熱する構成要素から、動作中に低温化する構成要素への熱の移動を可能にするシステム要素構成を与える。特に好適な構成においては、発生した熱により、水素の離脱により低温化する水素キャニスタを暖めるように前記スタック及び制御電子機器を配置する。
【００３３】
図３は、本発明の当該態様による燃料電池システム４０の概略図である。このシステムはケース４２とシステムの各構成要素を配置する内部フレーム４４とを含む。一又はそれ以上のファン４６により空気がケースに吸引され、一又はそれ以上の通風孔またはグリル（ｇｒｉｌｌｓ）４８を介してシステムから放出される。通風孔またはグリルに更にファンを設け、空気及び水蒸気をケース４２から引き出すことも可能である。
【００３４】
様々なシステム構成要素がフレーム４４に設置されるが、この中でスタック５０、電子機器５２、金属水素化物キャニスタ５４を図３に示す。システムを正しく機能させるにはその他の構成要素も必要であるが、図３では分かり易くするためにこれらを省略した。
【００３５】
既に述べたように、燃料電池システム４０の動作中にスタック５０で生じるレドックス反応は発熱反応である。この結果、システムが電気を生成すると、スタックの温度が上昇する。同様に、電子機器５２の構成要素（例えば、上記出力調整装置等）もシステムが電気を生成すると温度が上昇する。反対に、金属水素化物キャニスタ５４は、水素がスタック内で使用されるように放出されるに従い、著しく低温化する。
【００３６】
図３に示すように、本発明の当該態様においてはスタック５０及び電子機器５２（実際の発熱源）が金属水素化物キャニスタ５４の下に設けられる。システム動作の際、スタック及び電子機器が発熱すると、発生した熱が上昇（図３に示されるように）し、この熱が低温化した金属水素化物キャニスタに作用する。このようにキャニスタを加熱し、キャニスタの低温化によるスタック放出速度の低下の問題を相殺する。
【００３７】
図３に示される積層構造において、電子機器５２（又は、他の電気的構成要素）をこの層構造の一番下に再配置し、燃料電池スタック５０を該電子機器とキャニスタ５４の間に配置するとさらに好都合である。これにより、電子機器構成要素が燃料電池スタックからの熱により影響を受けることがなく、取り分け、電子機器が燃料電池システムの上側領域から間隔を空けていると好都合である。水素は上昇する傾向があり自然とシステムケーシングの上部領域に集まる。このように、電子機器又は電気的構成要素をケースの上部領域から出来る限り遠くに配置すると、スパークによる着火の危険を減らすという利点がある。
【００３８】
本発明の態様の教示するところでは、スタック及び電子機器により生じる熱の量に依存して、水素放出速度が減少する割合を少なくとも遅くするよう促す。本発明の態様が上記問題を緩和する程度が主にスタック及びキャニスタの相対的大きさに依存することは当業者にとっては明らかであろう。このように、小さいスタックでは大きなキャニスタに対し影響力が小さく、一方、大きなスタックであれば、小さいキャニスタに対し著しく大きな影響力を及ぼすことになる。
【００３９】
各構成要素を上記のように配置することにより生じる煙突効果を促進する働きをする一連のバッフル（ｂａｆｆｌｅｓ）をケース４２の内部に設けると更によい。フレーム４４に複数のダクト及び／又は冷却フィン設けることにより、上記の構成要素、即ち、スタック、電子機器及びキャニスタと同様に、熱輸送及び／又は空気の流れを促進することが可能である。システム内の空気の流れを促進するために、フレームに更なるファンを設けることも可能であるが、その際には、設けるファンの数がシステムの出力に対し電気消費が大きくなりすぎない程度になるよう注意が必要である。
【００４０】
本発明の当該態様は、更に、キャニスタをケース内に配置することにより、キャニスタが不用意に破損する確率を著しく小さくするという利点を有する。  
【００４１】
更なる実施の形態においては、燃料電池スタックが水冷されその暖められた冷却水が熱交換器に供給される。熱交換器には空気が送風されその暖められた空気が水素化物キャニスタに誘導されキャニスタを暖め、キャニスタの低温化から生じる水素供給速度の低下の問題を少なくとも部分的に相殺する。
【００４２】
キャニスタの低温化問題は主に比較的小型のキャニスタに影響を及ぼす。特に限定はされないが、本発明の態様は５００リットル以下の容量のキャニスタを収容するように設計された燃料電池システムに最も好適に利用されると考えられる。
【００４３】
キャニスタの接続
スタックに水素燃料を供給するパイプにキャニスタを結合する方法は、燃料電池システムの設計者とっての更なる問題である。このようなキャニスタは通常、オスメス（典型例では、メスコネクタがキャニスタ側）クイック・リリースガスコネクタのうちの片方を保持する。このクイック・リリースガスコネクタは、（ｉ）分離に際して、コネクタの各半部を自動的に閉じることにより、ガスの不要な出入りを避けることができ、（ｉｉ）コネクタの結合に際し、二つのコネクタの間の空隙（ａｉｒ  ｖｏｉｄ）を排除することが可能である。
【００４４】
典型例では、オスコネクタが当該システムに設けられ、キャニスタに保持されるメスコネクタがこれに取り付けられる。このような構成に伴う問題点として、これらのコネクタが非常に破損しやすく、これが発生すると、キャニスタを効果的に使用出来なくなる。キャニスタが比較的に高価であることを考慮すれば、これは出来る限り避けたいことである。
【００４５】
本発明の上記態様におけるように、キャニスタが燃料電池システムのケース内に収容される場合には、ハウジング内のコネクタを利用者が見ることが出来ないので、この問題は更に悪化する。このような状況にいては、キャニスタが不適切に挿入されたり、或いは挿入の際、損傷する可能性が極めて高くなる。
【００４６】
この問題に対処するために、本発明の当該態様は、燃料ラインに接続されたコネクタと、燃料キャニスタをコネクタとカップリング係合するようにガイドする手段とを具備する燃料電池システムを提供する。また、本システムがコネクタからキャニスタを取り外し可能に動作する手段を更に具備することが好ましい。
【００４７】
図４は、本発明の当該態様による燃料電池システム６０の一部を示す概略図である。
【００４８】
この例においては、燃料電池システムの構成要素はケース６２内に設けられるが、その一部のみが示されている。ケース６２には挿入開孔６４が形成され、燃料キャニスタ６６（上記の金属水素化物キャニスタ等）がシステムに対し、挿入または引き出し可能になっている。ドア６８が設けられており、開口６４を開閉するように手動又は自動で回動され得る。このドアは暖かい空気がケーシングから逃げるのを防ぎ、かつ汚染された空気のケーシング内への侵入防止を促す。
【００４９】
ケーシング６２の直ぐ内側に、上記挿入開口６４に略同心円上に設置された円筒状ガイドチューブ７０が設けられている。ガイドチューブ７０は挿入されるキャニスタ６６より若干大きめに構成されるが、キャニスタがチューブに接触しないほど大きくはない。チューブとキャニスタが接触することが好ましく、チューブとキャニスタ間の熱移動を促進することができる。
【００５０】
熱移動を更に促進するためにガイドチューブ７０に孔が開けられていると、暖かい空気がキャニスタ周りに達することが可能となり、本発明のこの態様を本発明の第一の態様の教示と組み合わせると特に有利である。
【００５１】
円筒状ガイドチューブ７０の内側端部には第二のロート状ガイド７２（断面で示される）が設けられる。このロート状ガイド７２は中央開口７４を有し、これは上記オスメスコネクタの（キャニスタ６６に支持された）メスコネクタ部７６より若干大きく構成されて、メスコネクタ部がこの開口を貫通し、ケーシング６２内に設けられた、これに補完するオスコネクタ部７８と係合できるように構成される。図４に示すように、開口７４はオスコネクタ部７８と同心円上にあり、メスコネクタ部７６がオスコネクタ部７８と正しく整合されるようになっている。オスメスコネクタはプッシュフィット型のものが好ましい。図示された実施例においては、メスコネクタ部７６は（ａ）キャニスタ６６に対しガイドチューブ７０に略平行な方向に圧力をかけることにより、補完オスコネクタ部７８に容易に結合され、（ｂ）メスコネクタ部７６をオスコネクタ部７８に向かって押すことにより両者間の係合を解除し離脱可能である。
【００５２】
キャニスタ６６を容易に取り外し出来るようにするために、図示される、好適実施例においては、メスコネクタ部（或いはその一部）をオスコネクタ部の方向に押圧し、オスメス結合を解除するように動作する離脱機構８０が設けられている。この離脱機構８０は、例えば、バネ（図示せず）の作用に抗して回転可能なカム８２によりメスコネクタ部７６を支持するものである。オスメスコネクタが外されると、このバネは、キャニスタがケーシング６２から引出される際にカムがメスコネクタ部と干渉しない位置にカムを付勢するように動作する。
【００５３】
キャニスタがケーシング６２に挿入されたことをユーザーに指示するためにセンサ８４が設けられることが好ましい。例えば、キャニスタがケーシング内に正しく設置されると発光するＬＥＤによりユーザーに対するこの指示ができる。センサとしては、本分野においてよく知られている如何なるものでも利用可能である。例えば、センサとしては、光センサ、或いは、キャニスタが当接または当接状態から離れる状態に移動する際に一の状態から別の状態に切り替える単なるスプリングスイッチ等が挙げられる。
【００５４】
穿孔チューブガイド７０の代替として、長手方向に二分割（またはそれ以上）可能なチューブにより同様の機能をもたらすことが出来る。このような構成の場合、これらのチューブパーツの一方又は両方（またはそれ以上）が相手方向に向かい移動するように構成し、キャニスタをガイドチューブのそれぞれのパーツ間の適正な位置にクランプ固定する。チューブ内でキャニスタを固定することにより、キャニスタとチューブ間の熱伝導が更に向上する。この効果はチューブパーツの外周に熱伝導フィン（又は同等の構造）を設けると、更に強化される。
【００５５】
更なる代替としては、本発明の教示は当然、様々なタイプのオスメスコネクタ、例えば、メスコネクタ部にねじ込むオスコネクタ部等、に同様に適用可能であることが理解されるであろう。このような場合、上述の離脱機構は必ずしも必要とされるとは限らない。
【００５６】
本発明の当該態様の教示は、キャニスタと結合するコネクタがアクセスを遮断するケース或いはその他のハウジング内に設けられていないシステムにおいても、全く同様に適用可能であることも理解されるであろう。
【００５７】
キャニスタと監視システム
さらなる関心事としては、上述したように、与えられた水素化物キャニスタの消耗状態を見極めることが困難であることが挙げられる。これは、当該システムの動作における、燃料の全消費量に関する、即ち、システム全体の動作コストに関する様々な問題を含む。
【００５８】
本発明の当該態様は、燃料電池システムと共に用いられる、キャニスタ内の燃料の量に関するデータを記録可能な手段を具備するキャニスタと、キャニスタ内の燃料の量（少なくとも概算量）を推定可能な手段と当該キャニスタの燃料の推定量に関するデータを該キャニスタに書き込み可能な手段とを具備する燃料電池システムと、を提供することにより、この問題への対処法を模索する。
【００５９】
本発明の当該態様の別の一面は燃料電池システムの燃料キャニスタにおける燃料の量を推定する方法に関し、当該方法は、キャニスタ内の総ての燃料を使って燃料電池システムから出力可能な電力を示すデータを該キャニスタから読み込み、燃料電池システムをそのキャニスタと一緒に使用する際に外部装置により消費される電力を監視し、キャニスタから読み込まれた電力データから消費された電力を差し引くことにより、燃料キャニスタ内の燃料の残量を見積もる工程からなる。
【００６０】
ここで図５ａを参照し、本発明の当該態様のキャニスタ９０は安価で交換可能な外側スリーブ９４内に挿入される、アルミニウム、金属、高分子又はプラスチックからなる内側キャニスタ９２を具備する。この交換可能な外側スリーブは、数ある適当な「衝撃吸収」材のいずれかにより製造し、キャニスタの損傷しやすいガスアウトレット部材を傷めないようにすることが好ましい。
【００６１】
内側キャニスタ９２には、安全開放バルブ９６、熱開放ヒューズ９８及び推奨ガスコネクター１００（上述のメスコネクタ等）が設けられている。交換可能なスリーブ９４には、社名ロゴ、広告情報、安全情報、キャニスタの内容物の表記及び、バーコードすなわち光学的に認識されるデータ等のその他の項目を含む情報を印刷可能であるが、この情報はこれらに限定されるものではない。
【００６２】
このデータは、スリーブ９４の外側に貼り付けられる磁気または感応性ラベル１０２に格納することも可能であり、さらには、スリーブの内側又は外側にしっかりと貼り付けられる、電子メモリチップまたはその他のデータ格納装置１０４に記録されることが好ましい。
【００６３】
図５ｂは、燃料電池システム１０６の監視システムを示す。図示されるように、本監視システムは、データ格納装置１０４及び／又はラベル１０２に対し読み取り及び書き込み可能な読み取り・書き込みヘッド１０８とプロセッサー１１０を具備する。
【００６４】
燃料電池システムに燃料キャニスタ９０を挿入する際、プロセッサー１１０は、読み取り・書き込みヘッド１０８を制御し、そのキャニスタを使用して燃料電池システムから出力可能な電力推定値を提供するデータをデータ格納装置１０４から読み込むように構成されている。プロセッサー１１０は外部装置が燃料システムから引き出す電力量を監視可能であり、また、キャニスタに残る燃料を用いてシステムから出力可能な電力を示す（データ格納装置１０４から読み込まれる）データから消費された全電力を引くことにより、キャニスタ内の燃料の残量を見積もり可能である。
【００６５】
燃料電池システムが停止または、キャニスタが取り外される際（或いは、場合によっては、その他のインターバルの際）、当該プロセッサーはデータ格納装置に保持される電力データを、キャニスタの推定残電力に書き換える。特に好ましい構成においては、プロセッサー１１０により読込み／書込みヘッド１０８を介してデータ格納装置１０４にデータが書き込まれるまで、与えられたキャニスタの取り外しを禁止する（例えば、アクセスドアをロックする等により）ように当該燃料電池システムを構成する。
【００６６】
プロセッサーは、モニタ又はＬＥＤアレイ等の出力装置１１２と通信するように構成可能であり、与えられたキャニスタの残りの電力量をユーザーに指示する。モニタ（或いは、場合によってはＬＥＤディスプレイ）を備えている場合には、その他の情報（キャニスタの寿命、充填された回数、キャニスタの識別情報、再充填された日付、等）をユーザーの必要に応じて提供可能である。
【００６７】
データ格納装置１０４に全くデータが格納されていないキャニスタの場合には、プロセッサーが、データが無いことを判定すると、読込み／書込みヘッド１０８を制御し、製品コード（例えばバーコード形式）或いはラベル１０２上のその他の指標を読取り、製品コードと電力値の読取り表から、その該当するキャニスタのタイプにて利用可能な電力値を引出すようにすることも可能である。
【００６８】
個々のキャニスタが再び充填される際の再充填処理は埋め込みデータの更新、リプリント等の工程も含む。例えば、キャニスタの寿命、再充填回数、キャニスタの識別情報、再生日時、等に関するデータを記録することが出来る。
【００６９】
燃料コントローラ
上述したように、水素は潜在的に危険な燃料であり、そのため、未使用の水素が漏れることはできる限り避けるべきである。空気のポンプ注入が完了する前にスタックに水素が貯まることは避けなければならない。このような蓄積は危険であり、また、燃料の無駄であるからである。
【００７０】
燃料電池システムを停止する際に特に顕著な更なる問題点として、燃料電池スタックに電気的負荷が接続されたままになっている場合、スタックのカソード側に十分な空気が循環しているため、スタックに残された残留水素が消費されてしまうことが挙げられる。スタックのアノード側のバルブが閉じているので、水素燃料が消費すると、アノード側の圧力低下を引き起こし、これが、スタックを損傷してしまうことになる。
【００７１】
本発明の一態様は、燃料電池スタックと、前記スタックに水素燃料を供給する手段と、前記スタックに空気を供給する手段と、システムの起動時に空気がスタックに供給されるまで水素の供給を禁止するように動作可能なコントローラと、を具備する燃料電池システムを提供する。
【００７２】
本発明の別の態様は、燃料電池スタックと、前記スタックに水素燃料を供給する手段と、前記スタックに空気を供給する手段と、システムを停止する際、スタックへの空気の供給を制限する前に空気をスタックへ供給しながらスタックから残留水素を一掃しつつ、水素の供給を制限するように動作可能なコントローラと、を具備する燃料電池システムを提供する。
【００７３】
燃料電池システムの設計者が直面する更なる問題として、当該システムが最大電力出力に達すると、システムの全ての電気構成要素に電力を供給する十分なエネルギーを生成するのが困難になることがある。
【００７４】
この問題を緩和するため、起動後、コントローラにより燃料電池スタックが生成する電圧を監視し、生成電圧がシステムの一又はそれ以上のその他の電気構成要素を駆動するに足るまで、前記一又はそれ以上の電気構成要素への電力の供給を選択的に制限するよう動作する燃料電池システムを提供する。また、コントローラは燃料電池スタックにより生成される電圧が降下する場合に前記一又はそれ以上の構成要素への電力の供給を選択的に制限するよう動作することが好ましい。
【００７５】
図６は、本発明の当該態様による燃料電池の構成要素の概略説明図である。
【００７６】
図示されるように、燃料電池システム１２０は、水素キャニスタ１２２と、バルブ１２４と、燃料電池スタック１２６と、エアポンプ１２８と、コントローラ１３０とを具備する。本システムはその他の電気機器１３２（ファン、センサ等）を含むが、分かり易くするためにこれらの構成要素は図６では省略した。
【００７７】
使用の際、バルブ１２４はキャニスタ１２２からスタックへの水素の通路を開放又は遮断するように動作可能である。同様に、大抵の場合、スタック内には空気があり、エアポンプ１２８はスタックを介して空気を流通させるように動作可能である。
【００７８】
コントローラ１３０は、バルブ１２４、ポンプ１２８、及び、その他の電気機器１３２に接続される制御ライン１３４を含む。更にこのコントローラは、スタックの正負の出力端子１３８及び１４０に接続され、かつ、スタックが生成する電圧をコントローラが常時測定可能にするスタック監視ライン１３６を含む。
【００７９】
起動の際、コントローラは充電池又は他の蓄電装置（コンデンサ等）によりエアポンプを駆動しスタックに空気を流通させるように構成される。スタックに空気がポンプ注入されると、コントローラはバルブ１２４を開き、水素をスタック内に導く。水素がスタックに入ると、上記レドックス反応が始まり電圧が生成される。この電圧はゼロからゆっくりと上昇し、スタックの稼働上昇により、最大出力電圧に達する。
【００８０】
スタックが初期起動点を経てコントローラ１３０が水素バルブ１２４を開放すると、コントローラはスタックによる出力電圧をモニタライン１３６を介して監視し続ける。電圧が上昇すると、コントローラは他の電気構成要素１３２に信号を送りこれらを起動する。この際、コントローラはこれらの他の電気構成要素１３２を一度に一つずつ、その構成要素とそれ以前にすでに稼働済のその他の構成要素を稼働するのに十分な電圧が生成されている場合にのみ、起動するのが好ましい。
【００８１】
燃料電池システムの動作中、コントローラ１３０は継続的にスタックの電圧出力を監視し続け、電圧出力が下がると、コントローラはシステムの電気構成要素を減速或いは停止するように動作可能である。例えば、電圧低下の際、コントローラは電圧が復帰するまでシステム内のいずれかのファンの速度を低下させる。
【００８２】
システム電気構成要素１３２が予め定められた複数の動作速度を持つ構成においては、そのシステム構成要素の速度を上昇する際の増分より、大きな増分でシステム電気構成要素を減速するようにコントローラを構成することが好ましい。本発明の当該態様は構成要素における、二つの隣接する速度設定間の振れに関する問題を緩和するように機能する。５段階の動作速度（０（最低）、１、２、３、４（最高））を有するファンの場合、コントローラ１３０は１増分幅、即ち０から１、１から２、２から３、最後に３から４へと、ファンの速度を上げるように構成され、一方、２増分幅、即ち４から２、２から０へと、ファンの速度を下げるように構成される。
【００８３】
コントローラはスタックにより生成される電力が復帰するまで、電力供給源から付加的な負荷を切り離すように動作可能であることが好ましい。
【００８４】
水分及び空気の扱い
上述したように、イオン輸送材が欠乏すると水素イオンがアノードからカソードに移動する度合いが阻害され、燃料電池システムの出力全体に影響を与えるので、スタック内のＰＥＭ層を正規の飽和状態に保つことが重要である。同様に（セルのアノード側、カソード側のいずれかに）過剰なイオン輸送材があるとセル内の燃料の流れを阻害し、その結果、システム出力に影響を与える。さらに考慮すべき点としては、過剰な水分を適宜取り除くことが挙げられる。というのも、過剰な水分は燃料電池システム内の電気回路を、さらにはシステムを利用する人間を危険に曝すからである。
【００８５】
これらの問題のいくつかを緩和するために、本発明の一態様は、燃料電池スタックと、スタックへの投入燃料としての混合空気を提供するためにスタックから排出される酸素欠乏空気と酸素をより多く含む空気とを可変な割合で混合する手段と、スタックに前記混合空気を供給する手段と、を含む燃料電池システムを提供する。さらに当該燃料電池システムが前記混合空気の湿度を測定する手段を含んでいることが好ましい。また、酸素欠乏空気と酸素をより多く含む空気との割合を前記測定された湿度に応じて自動的に変更する手段を当該システムが含むことが好ましい。
【００８６】
本発明の別の態様は、燃料電池スタックと、スタックから排出される比較的水分を多く含む酸素欠乏空気流から水分を取り出す手段と、前記取り出された水分を取り除くことを促進する手段とを含む燃料電池システムを提供する。さらに前記促進手段は前記取り出された水分を蒸発させるため、一又はそれ以上の、比較的高温のシステム構成要素に導くように動作可能であることが好ましい。また、別の構成としては、前記促進手段が前記取り出された水分を一又はそれ以上のファンに導くように動作可能であることが好ましい。
【００８７】
図７ａは、本発明の当該態様のシステム構成要素の概略図である。本発明の当該態様の実行に対し本質的でないその他のシステム構成要素は分かり易くするために省略した。
【００８８】
図に示すように、燃料電池システム１５０は燃料電池スタック１５２を具備し、使用に際して、これに水素及び酸素（空気）を供給する。図７ａにおいては水素投入点は簡単のため省略する。空気がインレット１５４を介してスタック１５２に供給され、排気（即ち、酸素欠乏）空気が上記レドックス反応により生成された水と共に排気１５６から排出される。スタックの動作温度により、レドックス反応により生成された水は通常水蒸気として発生する。ポンプ１５８が設けられエアインレット１５４を介してスタック１５２に空気が注入される。
【００８９】
排出空気と水蒸気が排気１５６から供給ライン１６０を介して膨張室１６２に供給され、そこで排気水蒸気は膨張して冷える。排気水蒸気が冷えると、水蒸気の内の少なくとも幾分かは凝結し、水として膨張室の最下部に落下する。この最下部は水分保持部材１６４で覆うことが好ましい。
【００９０】
排水口１６７は、水分保持ライナー１６４の下に位置する。排水口１６７は、吸収芯材１７４（図７ｂ）を備えるパイプ１６６に接続される。ライナー１６４からの過剰水分は、パイプ１６６内の吸収芯材に（例えば重力により）導かれるように構成される。吸収芯材はパイプ１６６の自由端１６８に過剰水分を導き、当該実施例においては、この自由端はスタック１５２の近傍に配置される。スタックにより生成される熱が膨張室１６２から吸収芯材により運ばれる過剰水分の蒸発を促進し、その蒸発成分はシステムに空気を流通させる一又はそれ以上のファンにより、システム１５０から排気される。この構成の副次的な長所として、水の蒸発がスタックの冷却を促進することがある。
【００９１】
蒸発を促進するために熱を利用する代替案として、その代わりに（或いは実際には、付加的に）吸収された水分を例えば、上記一又はそれ以上のファンの近傍にてシステムの空気流に導くことが考えられる。
【００９２】
図７ａに示すように、膨張室１６２のアウトレット１７０はエアポンプ１５８に結合される。後に詳しく説明するように、新鮮な空気（即ち、それまでにスタック内を通過していない、それ故、酸素欠乏していない空気）が排気１５６から膨張室に入る空気と混合され、エアポンプ１５８により、スタック１５２に注入される。スタックに注入される混合空気における排出空気に対する新鮮な空気の割合は可変である。好適実施形態においては、投入空気の水分を検出する装置、例えば、湿度計１７２を備え、スタックに投入される混合空気の湿度を測定する。
【００９３】
（図示しない）コントローラは、湿度計１７２に接続され、投入空気の湿度の低下を検出し、ポンプによってスタック内に供給される混合空気中の排出空気の割合を増加するように動作可能である。排出空気は水蒸気を含んでいるので、投入混合空気中の排出空気の割合が多くなると、スタックの水分量の上昇を促進する。同様に、湿度計１７２が投入混合空気の湿度の上昇を検出すると、コントローラは投入混合中の排出空気の割合を低下させることが出来る。好ましくは、混合空気中の排出空気の割合の変更は自動的に行われる。しかしながら、コントローラを、投入空気の湿度が変更を必要とすることをユーザーに報知する手段に単に接続し、ユーザーに投入空気の湿度の変更を任せることも可能であることは明白であろう。コントローラは、例えば、投入空気の湿度を調節する必要があることを示す聴覚及び／又は視覚指示を提供する、適当な一又は複数の機器に接続可能である。
【００９４】
好適にはコントローラは、投入混合空気の湿度を所定の、好ましくはユーザーが調整可能なレベルに保つように出来ることが望ましい。この目的のため、コントローラは一又はそれ以上の適当なバルブ装置に信号を供給することが出来る。
【００９５】
代替として、湿度計を使用せずに、その代わりにコントローラが燃料電池システム１５０の出力電圧を監視するように構成する。コントローラは出力電圧の低下に基づいて、ＰＥＭ層の飽和が低下しつつある（よってイオン輸送を阻害する）か、ＰＥＭ層が過剰飽和しつつある（よってイオン輸送液がスタック内の燃料通路を阻害する）かを推定し、投入混合空気の内容をシステム出力が上昇するまで調整する。このような構成において、コントローラは調整が行われた後、次の調整を始める前に所定の期間待機し、出力が上昇したかを見極めるよう構成されることが望ましい。
【００９６】
別の構成では、湿度計と出力電圧の両方を監視するようにコントローラを構成してもよい。このような構成では、コントローラは出力電圧が最大になる湿度を記録し、投入混合空気を調整して湿度を出力電圧が最大になる記録された値に維持するよう構成する。記録された湿度での出力電圧がある一定程度降下したら、コントローラは出力電圧が最大になる新たな湿度の値を探し記録し、その新たな値で投入混合空気の湿度を維持するように機能することが望ましい。
【００９７】
水分保持部材１６４は、比較的長い時間水分を保持できるゼオライトのような材料を用いるのがよい。このような材料は、保持された水分で比較的湿度が低い新鮮な空気を加湿出来るという利点がある。
【００９８】
図７ｂは、膨張室１６２の概略図である。図に示すように膨張室は、スタック排気１５６、アウトレット１７０及びパイプ１６６に接続される。膨張室１６２の底部は水分保持手段１６４で覆われ、出口１６７は過剰な水分を吸収芯材１７４に送る。この吸収芯材はパイプ１６６内をその自由端１６８まで達している。
【００９９】
膨張室１６２には、膨張室１６２の周囲を手動または自動的にスライド可能なカウル１７６の手段により選択的に開閉可能な複数の穿孔１７８が形成される。カウルが動くと、周囲の空気に対し開放する穿孔の数が増減し、これにより、上述の混合空気としてスタックに投入するために利用できる周囲の空気の量を可変する簡易手段を提供する。アウトレット１７０の端部を膨張室１６２に対し出し入れすることによっても同様な効果が得られる。
【０１００】
カウル１７６を動かす多種多様なシステムが当業者にとっては明らかであろう。例えば、カウルをウォームドライブにより前後に動かすように構成してもよい。
【０１０１】
制御システム
上述したように、燃料電池システムを設計する際にはシステムの各構成要素を適切に管理することを考慮する必要がある。通常知られているシステムは、ユーザーがシステムを比較的高いレベルで熟知する必要があり、システムの構成部材及びシステム全体が動作する仕組みに詳しい者にはなんら障害はないが、他方、一般の人々がこのようなシステムを広く利用する場合には障害となり得る。そのため、利用者にとって使いやすい制御機構があれば有利である。
【０１０２】
図８は、本発明の当該態様の一実施形態に基づく制御システムの概略図である。図に示すように、本制御システムは、基本的構成要素としてコントローラ１８０、好ましくはマイクロコントローラを具備する。この例においては、コントローラの１２個のピンがシステム内の各構成要素に接続されている。これらのピンの性質及び機能を以下の表１にまとめる。好ましくは、コントローラの機能はシリアルポート（図示せず）上で制御される単純なユーザーインタフェースにより設定可能であるとよい。コントローラの機能の設定は、各所で、例えば、適当なシリアルコムズ（ｃｏｍｍｓ）パッケージで可能であり、或いは、例えば、インタネットを介して遠隔よりすることも可能である。
【０１０３】
図８の燃料電池システムは、スタック１８２と、エアポンプ１８４と、複数のファン１８６と、電力調節装置１８８（上述したように主電源インバータとＤＣ−ＤＣコンバータと両方を含む）とを具備する。さらに、水素インレットバルブ１９０と水素アウトレットバルブ１９２が設けられる。サーミスタ１９４又はその他の温度センサがスタック１８２上、又は近傍に設置されている。湿度計１９６は、本発明の上記の態様に基づいて設けることが出来るが、この場合、コントローラ（図示せず）の別のピンに接続される。
【０１０４】
電力調節装置１８８は必要に応じて、交流電圧又は直流電圧を供給するよう動作可能である。本システムはスイッチ１９８を含むことが好ましく、これを閉じると後で述べる「自動」モードでシステムを稼働することが可能になる。
【０１０５】
上述したように、システムを正常に稼働させるためには、ポンプ１８４を用いてスタック１８２に空気を送る必要がある。この空気はスタックの個々の燃料電池に酸素を供給し、レドックス反応で生成される水を運び去り、セルが水で覆われないようにする。スタックに過剰な空気が注入されると、ＰＥＭのイオン輸送媒体が乾き、イオン輸送の速度に悪影響を及ぼし、ひいては出力電圧にも悪影響を与える。生成される水及びそれを制御する空気流速度は生成される電流又は電力に比例する。
【０１０６】
ＰＥＭセルにおける、不本意な水分の蓄積や不注意による乾燥を避けるために、コントローラ１８０はスタックの出力電流を（出力電圧モニタライン１、２を介して）監視し、ポンプ速度を変更するように構成される。一般に、水の蓄積が起こったと判断されるとポンプ速度を増し、イオン輸送媒体のロスが起こったと判断されると、ポンプ速度を減ずる。
【０１０７】
ポンプの速度は直線的に変化させても良いし、或いは、３段階の（又はそれより多い）デジタル変化によって実現出来る。上記に説明したように、組み込みヒステリシスを用い、ポンプをステップダウンする際はステップアップより１アンプ低くすることが好ましい。このヒステリシスの目的は、既に述べたように、ステップ間のポンプの振れを無くすためである。ポンプの制御はピン１２に接続された制御ラインを介して実行される。ファン（即ち、速度に関する電圧）の３つのステップは回路基板上で設定可能であり、また、カットイン電圧はソフトウェアで設定出来る。
【０１０８】
上述したように、好適構成においては、ファンは３段階で動作する。これらの３つのステップはソフトウェアにより設定され、ピン９と１０に制御ラインにより接続されるサーミスタ１９４の手段により検知されるスタックの温度によりトリガー起動される。燃料電池システムで最も高価な構成要素であるスタック１８２を保護するために、温度センサ（当該実施形態ではサーミスタ１９４）が所定の「高温」を検知すると、ファンが最大速度で作動しインバータ又は（ユーザー負荷）が遮断される。
【０１０９】
水素ガスは圧力調節装置（図示せず）を介して３から５ｐｓｉｇで供給される。この調節装置は、手動停止装置を有するノーマリクローズ電磁バルブ１９０を介して、システムガスコネクタから直接供給を受ける。これは、自動モードが選択されている時以外は、通常停止状態にある。
【０１１０】
水素化物キャニスタは、通常システムガスコネクタに差し込まれる。ユーザーが（金属水素化物キャニスタと対立するものとして）ボンベの水素によりシステムを運転したい場合には、専用アダプタが用意される。この専用アダプタは、端部にメスコネクタを有するチューブを有し、システムのオスコネクタに接続され、通常の（上述した）方法で取り外せるように構成される。チューブの基部は、通常の金属水素化物キャニスタの基部を模倣したディスクを有する。この基部はシステムコネクタをケースの外側に効果的に移動させる別のメスコネクタを備えている。好適構成においては、アダプタは上記センサから見ると、従来の金属水素化物キャニスタのように見える。
【０１１１】
上述したように、水素は利用に際して消費されるが、薄膜は半浸透性を有するので、各燃料電池の水素側に幾分かの水が集まる。この水はシステムに水素を流し込むことにより除去される。好適な構成においては、コントローラは、スタックの水素端部を、通常シールするノーマリクローズ電磁バルブ１９２を制御ライン８を介して開くように構成される。好適な構成においては、バルブ１９２は３０秒毎に５００ミリ秒間開かれる。この開弁時間及び開弁間の期間はソフトウェアにより調整可能であり、コントローラ１８０は開弁時間と開弁頻度をピン１と２に接続されたライン上で検出される電圧に応じて変更可能に構成される。
【０１１２】
好適な構成においては、スタックから排出される水素は全て、触媒又は相当のものを含むジルコニウム管内で燃焼される。この水素燃焼が熱を発生し、これが、冷たい空気流に導かれてキャニスタを加熱する。
【０１１３】
上述したように、電力調節装置１８８は２３０Ｖと１１０Ｖの交流主電源インバータと、１３．８Ｖの直流コンバータを具備する。二つの選択可能な出力を提供することにより、当該ユニットを利用できる機器の数を増やすことができ、かつコネクタの選択肢の数を減らすことが出来る。１３．８Ｖの直流は自動車に用いられる標準的な充電電圧であり、「車のシガーライター」から電源供給される充電器や機材に使用できる。また、本ユニットは１２Ｖのすべてのバッテリを直接充電することも可能である。
【０１１４】
バッテリを自動的に充電するため、或いはその他の自動化された電力供給をするために、システムコントローラ１８０はピン５に接続される電圧センサラインを有する。本ユニットを自動モードで利用するために、ノーマリクローズ電磁バルブ１９０を停止しないでスイッチ１９８を閉じセンサライン５を＋の直流出力に接続する。
【０１１５】
直流端子が外部電圧（例えば、カーバッテリー）に接続され、外部電圧がソフトウェアで設定可能な所定のレベルまで落ちると、外部供給がノーマリクローズバルブ１９０を開きシステムが起動する。するとシステムは外部電圧の充電を実行し、外部電圧が予め定められたレベルに達すると、システムはスイッチを切る。カットイン及びカットアウト電圧を入念に選択することにより、システムの効率を、例えば鉛酸蓄電池を部分的にのみ充電することにより、維持することが出来る。
【０１１６】
上述したように、システム効率について妥協しないことは重要である。都合が良いことに、ＤＣ−ＤＣコンバータ（スタックからの電流は監視用制御電子機器を経由されるが）からの上記１３．８Ｖの直流電圧により制御電子機器は電力供給される。これは、通常の直流レギュレータでは、電圧入力は下げられ、その差は熱として放出される。即ち、低い負荷の場合、スタック電圧は例えば２５Ｖであり、１２Ｖで動作し４Ｗ消費するエアポンプは、そのレギュレータにおいて、さらに４Ｗ無駄にすることになる。本スイッチングコンバータ電圧を使うことにより、コンバータの効率が著しく良くなり、その殆どが節約出来る。
【０１１７】
【表１】
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【０１１８】
別の実施例においては、電力調節装置は主電源インバータと、２以上のＤＣ−ＤＣコンバータを具備する。主電源インバータは上述したようにＤＣ−ＤＣコンバータから調整済の電流を取り込まず、その代わり、燃料電池スタックからの電圧を受け取りそれをフロントエンドにて調整する。主電源インバータは５０又は６０ヘルツの交流電圧を供給することが出来る。
【０１１９】
第一のＤＣ−ＤＣコンバータは主コンバータであり、バッテリ充電用、又は自動車のシガーライターの充電に用いられるアウトレット用の直流１３．８Ｖに限定された電流を供給するのに使いられる。独立した補助的なＤＣ−ＤＣコンバータを設けることにより、ポンプ及びソレノイド等のシステム構成要素を駆動する線形デバイスにより浪費される電力を削減することができる。これらを独立に設けることにより、たとえメインのＤＣ−ＤＣコンバータが動作しない場合でも、交流側ではシステムが動作可能となる。
【０１２０】
パルス幅変調をすることにより、一（又は複数の）システムポンプをより効率良く駆動することが出来る。
【０１２１】
上述したように、本発明の様々な態様をここまで例示したが、本発明の精神及びその範囲から逸脱することなく、ここに開示した実施形態に変更をおこなうことが出来ることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】図１は、単独の燃料電池の概略図であり、その動作状態を示す。
【図２】図２は、燃料電池システムの中核構成部材を示す概略図である。
【図３】図３は、本発明の第一の態様による燃料電池システムの一部を示す概略図である。
【図４】図４は、本発明の第二の態様による燃料電池システムの一部を示す概略図である。
【図５ａ】図５ａは燃料電池キャニスタの概略表現である。
【図５ｂ】図５ｂは監視システムの概略表現である。
【図６】図６は、別の監視システムの概略表現である。
【図７ａ】図７ａは燃料電池システムの一部を示す概略表現である。
【図７ｂ】図７ｂは図７ａのシステムの一部を示す概略表現である。
【図８】図８は、燃料電池システムの制御システムの概略表現である。
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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