(57)【要約】本発明は、特に燃料電池の寿命を維持することを可能にするための、燃料電池のモジュールの作動の管理方法及び管理装置に関する。燃料電池（８０）の電気化学セルは、電気化学セルの複数のモジュール（９０〜９６）毎に、一方では、燃料電池の膜−電極組立体の最適の水和状態を維持するように、低負荷における電流密度があらかじめ定められた範囲内に間維持されるように、他方では、燃料電池の全体としての寿命の持続時間が増加されるように個々のモジュールの作動持続時間が使用されるように、制御可能な電気接続ボックス（１０６）へ電気的に連結される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質装置（９）と協働するタイプの燃料電池（８０）の作動の管理方法であって、膜−電極組立体が設けられた少なくとも１つの電気化学セル（９０〜９６）が、制御可能な電気接続ボックス（１０６）によって他の電気化学セルと電気的に連結される燃料電池の作動の管理方法において、少なくとも上記膜−電極組立体を有する上記電気化学セルを通り抜ける電流の電流密度（Ｊ）が、上記燃料電池の電気的な状態にかかわらず、上記膜−電極組立体の最適の水和状態を維持するように設けられたあらかじめ定めた範囲の中にあるように、上記電気化学セルの上記膜−電極組立体を、直列に接続するか接続を切り離すことによって、上記電気化学セル（２、３）の複数のグループ（８１）を構成するステップを含むことを特徴とする、燃料電池の作動の管理方法。
【請求項２】
上記電気化学セルの上記燃料電池（８０）の作動モードを制御することを可能にするステップを含み、該ステップは、その中で上記電気化学セルの上記燃料電池が作動するようになる、上記電流密度の値の範囲を決定することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池の作動の管理方法。
【請求項３】
目標とする上記電流密度（Ｊ）の範囲に達するために、複数のモジュール（９０〜９６）の中の少なくとも１つのモジュールを、電気的に接続するか接続を切り離すことによって、上記燃料電池を作動させることからなることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池の作動の管理方法。
【請求項４】
１つの上記電気化学セルと上記電気化学セルの１つの上記モジュール（９０〜９６）との少なくとも一方を切り離すステップを含み、該ステップは、一時的に切り離される上記モジュールに対するアノードガス流（２０、２１）とカソードガス流（２２、２３）の遮断ステップによって補完されることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池の作動の管理方法。
【請求項５】
上記燃流電池の耐久性を保証する、あらかじめ定められた上記電流密度の上記範囲内における上記燃料電池の電気的な作動を保証する、一時的に切り離される少なくとも１つのモジュールを決定するためのステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池の作動の管理方法。
【請求項６】
すくなくとも１つの上記電気化学セルと１つの上記電気化学セルのモジュールとの少なくとも一方を切り離すステップにおいて制御される上記燃料電池（８０）の作動モードの、パワーエレクトロニクスモジュール及び電気駆動システム（１０８）の可能な作動モードとの整合性を考慮に入れるための先行ステップを含むことを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池の作動の管理方法。
【請求項７】
上記燃料電池（８０）の上記作動モードの上記整合性を考慮に入れるための上記先行ステップは、上記パワーエレクトロニクスモジュール及び上記電気駆動システム（１０８）の作動電圧に応じた、上記切り離しの整合性のテストを含むことを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池の作動の管理方法。
【請求項８】
自動車に装備するための、改質装置（９）と協働するタイプの燃料電池（８０）の作動の管理装置であって、上記自動車の動力装置は、上記動力装置のエネルギの少なくとも一部分を、セルの積層体からなる上記燃料電池から取り出す、燃料電池の作動の管理装置において、制御可能な電気接続ボックス（１０６）と、膜−電極組立体を有する電気化学セルのグループ（９０〜９６）の少なくとも１つを、少なくとも上記膜−電極組立体を有する上記電気化学セルを通り抜ける電流の電流密度（Ｊ）を、あらかじめ定められた範囲内に維持するように、直列に接続するか切り離すための手段を含むことを特徴とする、燃料電池の作動の管理装置。
【請求項９】
上記電気化学セルおよび上記電気化学セルのモジュール（９０〜９６）をパワーエレクトロニクスモジュール（１０８）へ電気的に接続するための手段によって連結された上記電気接続ボックス（１０６）と、制御手段とによって、電気的な連結が実行されるように、少なくとも１つの上記電気化学セルの上記膜−電極組立体の相対湿度を測定するための手段を含み、上記パワーエレクトロニクスモジュール（１０８）と上記制御手段は、上記燃料電池が設置された上記自動車の内部にあることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池の作動の管理装置。
【請求項１０】
上記電気接続ボックス（１０６）は、上記電気化学セルの１または複数のモジュール（９０〜９６）を電気的に切り離すための手段を含むことを特徴とする、請求項８または９に記載の燃料電池の作動の管理装置。
【請求項１１】
上記１または複数の上記モジュールを電気的に切り離すための手段は、不良になったモジュールを検出するための手段と協動し、上記不良になったモジュールを検出するための手段は、上記不良になったモジュールのアドレスを、上記１または複数の上記モジュールを電気的に切り離すための手段へ伝達し、そこで上記１または複数の上記モジュールを電気的に切り離すための手段は、上記不良になったモジュールが属する、上記セルの上記モジュールにおける直列接続から、上記不良になったモジュールを切り離すように、その電気接続を操作することによって、上記不良になったモジュールを電気的に切り離すことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池の作動の管理装置。
【請求項１２】
上記不良になったモジュールを検出するための手段は、例えば上記自動車のダッシュボード上の警報装置である故障指示手段のような、上記不良になったモジュールの存在を表示する手段も含むことを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池の作動の管理装置。
【請求項１３】
上記不良になったモジュールの存在を表示する手段は、上記燃料電池の整備場へ行くように残りの上記モジュール（９０〜９６）によって発生される出力を使用することを可能にするために、上記燃料電池が設置された上記自動車の内部にあるパワーエレクトロニクスモジュール及び制御装置（１０８）の制御手段とも協働することを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池の作動の管理装置。
【請求項１４】
残りの上記モジュール（９０〜９６）によって発生される出力を使用するための上記制御手段は、上記燃料電池の上記整備場の地理的な位置を指示するための手段と協動することを特徴とする、請求項１３に記載の燃料電池の作動の管理装置。
【請求項１５】
上記電気接続ボックス（１０６）によって、上記燃料電池から切り離された、上記電気化学セル（２、３）と上記電気化学セルのモジュールとの少なくとも一方へ通じるアノードガス流（２０、２１）とカソードガス流（２２、２３）との少なくとも一方の遮断を可能にするための、流体遮断弁の開閉状態を制御するための手段を含むことを特徴とする、請求項９〜１４のいずれかの１つに記載の燃料電池の作動の管理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に燃料電池のモジュールの寿命を維持することを可能にする、燃料電池のモジュールの作動の管理方法及び管理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術において、要求に応じて自動車の電気駆動装置へ供給される電気エネルギの形に変換するために、化学的な形のエネルギを自動車に搭載するための構造が既に記載されている。
【０００３】
様々な電気化学変換装置の中に燃料電池がある。燃料電池においては、電気化学セルの組立体が、少なくとも２つの異なる電気化学種を用いて、電気エネルギを回収する。このようにして電気エネルギが作られ、自動車に装備され自動車を駆動するために、少なくとも１つの電気モータによって消費される。
【０００４】
特に自動車の分野において利用可能な燃料電池は、水素を酸素と化合させることに基礎を置いている。水素は、自動車に搭載することができ、あるいは、改質装置によって、ガソリンやエタノールのような水素含有燃料から製造することができる。水素と化合する酸素は、周辺の空気から得ることができる。
【０００５】
燃料電池のための電気化学セルは、いくつかの技術の１つに従って作ることができる。これらの技術の中に、膜−電極組立体（ｍｅｍｂｒａｎｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ（ＭＥＡ））技術がある。この技術は、特に膜−電極組立体がスルフォン化ポリマから作られ、特に作動条件によって膜−電極組立体の水和が変化させられるときに、作動条件に対して極めて敏感である。
【０００６】
特に、膜−電極組立体の不適切な水和条件は、膜における燃料電池の極めて急激な劣化をもたらし、１時間当り約数マイクロボルトの電圧の低下によって示される。
【０００７】
燃料電池システムにおける効率の観点からの最適な動作を得るために、特に燃料電池のカソードにおいて、低水分または全く水分を含有しないガスで作動させることが目指される。
【０００８】
燃料電池によって駆動される自動車の実際の使用状況においては、多くの場合低負荷である。低負荷運転の際には、燃料電池すなわちセルの積層体は、発生される電流の電流密度が小さい状態で使用される。ここに、電流密度が小さいほど、燃料電池によって作られる水は少ない。
【０００９】
この状況は、水の平衡の観点から望ましくない。すなわち、この結果、電気化学セルの膜−電極組立体における水和のレベルが過大になり、これによって膜−電極組立体の劣化速度が助長される。
【００１０】
定常状態の運転条件において、使用時間中に膜−電極組立体に対する応力を生じる、圧力、温度及び作動領域が変更されないときには、このような膜−電極組立体の寿命は１０倍に増加される。
【００１１】
この場合、電気化学セルの燃料電池は、自動車の電気駆動に適用される場合よりも高い電流密度で作動する。
【００１２】
従来技術において、特に液体部分の蒸発を利用することと、液体の水を自動車が走行中の路上に排出することによって、膜−電極組立体の水和の問題を処理することが提案されている。
【００１３】
しかしながら、このような解決策は、自動車に搭載される構成部品の質量の大きな増加をもたらし、電機駆動システムの効率を低下させる。
【００１４】
特に、本出願人は、本出願人の特許出願ＦＲ−Ａ−２．８４７．７２２に、燃料電池のための反応剤の分布システムを記載し、この中で膜−電極組立体における水の形成の問題について述べた。
【００１５】
この特許出願において構想された解決策は、反応剤の正しい配分を、特に電流密度をより均一にし、熱損失を配分するように、分圧に関して実行することからなる。
【００１６】
この従来技術においては、特に追加の導管を設けることによって、膜がより複雑になるという問題がある。
【００１７】
特許出願ＵＳ−Ａ−２００４／０５８．２０６には、電気化学セルの燃料電池における水の平衡の改良方法が記載されている。各セルは、アノードの役割をする膜−電極組立体を有する。電気化学セルへアノードガスを配分するためのアノード室が設けられ、多孔質の分離板が、セルを冷却するための室からカソードガス室を分離する。
【００１８】
この配置においては、水は、カソードガスと冷却ユニットの間で、カソードガス室と冷却室との間に配置された多孔質の分離板を介して、交換される。冷却室は、水型の冷却と、その水蒸気分圧が温度に応じて水よりも低い冷却を用いる。
【００１９】
特許文献ＵＳ−Ａ−２００３／２１５．６９３には、膜−電極組立体の漸進的な汚染による電圧低下を、分離膜の特殊な構造を使用することによって減少させることを可能にする、燃料電池が記載されている。
【００２０】
特許文献ＤＥ−Ａ−１０１．４５．８７５には、膜−電極組立体に基づく半湿式の燃料電池が記載されている。この電極は、膜の一方の側に張り付けられた触媒としての役割をする層を使用する。その構造と形態によって、この燃料電池は、電解質を通して反応水の後方拡散を助長し、このことは、膜−電極組立体を保護しながら、電解質の充分な加湿を保証する。
【００２１】
ヨーロッパ特許出願ＥＰ−Ａ−１．２２０．３４５には、２つのセパレータの間に配置された膜−電極組立体を有する、燃料電池のためのセルが記載されている。この従来技術においては、膜−電極組立体自身が、電解質重合体膜と２つの電極層を含む。各電極層は、触媒層と分離シートを有する。
【００２２】
これらの様々な従来技術の文献においては、膜−電極組立体の特殊な構造を用いて、水製造の問題が処理されており、このことが構造をより複雑にしている。
【特許文献１】ＦＲ−Ａ−２．８４７．７２２
【特許文献２】ＵＳ−Ａ−２００４／０５８．２０６
【特許文献３】ＵＳ−Ａ−２００３／２１５．６９３
【特許文献４】ＤＥ−Ａ−１０１．４５．８７５
【特許文献５】ＥＰ−Ａ−１．２２０．３４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明は、上記の従来技術の問題点を解消することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
このため、本発明は、燃料電池の作動の管理方法に関する。対象とする燃料電池は、自動車の装備するためのものであり、自動車の動力装置は、動力装置のエネルギの少なくとも一部分をセルの積層体からなる燃料電池から取り出す。
【００２５】
したがって、この燃料電池は、特定の水和条件が用いられる膜−電極組立体が設けられた少なくとも１つの電気化学セルを含む。膜−電極組立体を有する電気化学セルは、制御可能な電気接続ボックスによって他の電気化学セルと電気的に連結される。
【００２６】
本発明によれば、燃料電池の作動の管理方法は、少なくとも上記膜−電極組立体を有する上記電気化学セルを通り抜ける電流の電流密度が、上記燃料電池の電気的な状態にかかわらず、上記膜−電極組立体の最適の水和状態を維持するように設けられたあらかじめ定めた範囲の中にあるように、上記電気化学セルの上記膜−電極組立体を、直列に接続するか接続を切り離すことによって、上記電気化学セルの複数のグループを構成するステップを含む。
【００２７】
また本発明は、自動車に装備するための、燃料電池の作動の管理装置にも関し、上記自動車の動力装置は、上記動力装置のエネルギの少なくとも一部分を、セルの積層体からなる上記燃料電池から取り出し、上記管理装置は、制御可能な電気接続ボックスと、少なくとも１つの上記電気化学セルの上記膜−電極組立体の相対湿度を測定するための手段と、少なくとも上記膜−電極組立体を有する上記電気化学セルを通り抜ける電流の電流密度を、上記燃料電池の耐久性を保持するようにあらかじめ定められた範囲内に維持するように、上記膜−電極組立体を有する上記電気化学セルの少なくとも１つのグループを直列に接続するか切り離すように上記電気接続ボックスを制御するための手段を本質的に含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明のその他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面によってより明らかとなるであろう。これらの図面において：  
−図１は、燃料電池システムの主要構成部品を示すブロック図であり；  
−図２は、本発明の燃料電池の作動の管理方法の流れ図を表わし；  
−図３は、本発明による燃料電池の作動の管理装置のブロック図を表す。
【００２９】
本発明の方法は、燃料電池を構成する電気化学セルの燃料電池の作動の、燃料電池の耐用命数の間に電気負荷が一定ではない自動車への適用の枠内における、管理方法を定める。
【００３０】
電気化学反応の基礎となり、燃料電池の中に位置する構成部品である、膜−電極組立体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）は、ガスの温度、圧力、含有水分のような、作動条件の変化に対して極めて敏感である。
【００３１】
フッ化スルフォン化型の膜−電極組立体（ＭＥＡ）についての、膜−電極組立体の作動に問題を生じない耐用命数は数千時間である。あるいは、特に燃料電池に加えられる電気負荷が概ね一定である、膜−電極組立体（ＭＥＡ）の使用に充分な条件を有する定常な使用においてさえ、約１万時間である。
【００３２】
しかしながら、自動車への適用の枠内においては、見積もられる作動条件は、自動車の使用条件に従う出力要求に依存する。
【００３３】
高温と低湿度との少なくとも一方、あるいは更に比較的高電圧と低湿度との少なくとも一方、あるいは更に比較的高電圧（低電流密度）における作動のような、幾つかの作動条件は、膜−電極組立体（ＭＥＡ）の劣化現象に対する大きな影響を有する。
【００３４】
膜−電極組立体（ＭＥＡ）の劣化状態の時間的変化は、電位の低下（μＶ／ｈのオーダの）によって観察される。
【００３５】
膜−電極組立体（ＭＥＡ）の劣化の開始を表す電位の低下の勾配は、多かれ少なかれ、使用条件に応じて悪い方へ変化する。
【００３６】
本発明の燃料電池のモジュールの作動の管理方法は、電気化学セルの燃料電池が、燃料電池のコア、すなわち膜−電極組立体（ＭＥＡ）の劣化を加速し、したがって電気化学セルの燃料電池全体の寿命を減少させる危険を及ぼす条件にさらされることを回避することを可能にする、電気化学セルの燃料電池の使用形態に関する。
【００３７】
本発明の実施例の試験によって、電気化学セルの燃料電池の連続使用における５０００時間以上の寿命を実現することが可能であることが分った。
【００３８】
膜−電極組立体（ＭＥＡ）の劣化速度に著しい影響を及ぼす作動条件を以下に説明する。
【００３９】
本発明の燃料電池のモジュールの作動の管理方法は、電気化学セルの燃料電池が、少なくともカソードへ送られるガス（空気）について、できるだけ少ない湿度で作動することを可能にする。
【００４０】
したがって、本発明のより好ましい実施の形態においては、従来技術の多くの燃料電池の作動の管理方法の、カソードガスを加湿する１ステップが回避される。カソードガスを加湿するこのステップの削除は：
−燃料電池の容積の減少；  
−カソードにおける水の管理が容易になるので、カソードの加湿器の費用の節約；  
−燃料電池の熱損失が少ないので、エネルギの節約；
を達成することが可能な、燃料電池の管理装置の作成を可能にする。
【００４１】
さて、このような乾燥したカソードの作動形態は、フッ素を含有する膜に基礎を置く、多くの膜−電極組立体（ＭＥＡ）の劣化速度が極めて大であるという、現在の燃料電池の問題を解消する。
【００４２】
ガスの低湿度は、燃料電池のモジュールが低電流密度で作動するときにより問題である。
【００４３】
これは、カソードにおける電気化学反応によって作られる水の量は、電流密度が高いほどより大きいからである。作られた水は、膜の良好な作動と主要な役割に必要な、水の平衡の維持に貢献する。
【００４４】
この膜は、陽子を伝達し、陽子の移送能力は、水による膨潤状態、すなわちスルフォン酸サイト当りの水分子の数に直接依存する。スルフォン酸サイトは、陽子の「搬送機」である。特有の１実施の形態においては、制御装置は、電気接続ボックス（図３におけるＪＢまたは１０３）によって所望の電気接続が実現されるように、少なくとも１つの電気化学セルの膜−電極組立体（ＭＥＡ）の相対湿度の測定手段を含む。
【００４５】
自動車における使用条件で使用されるときには、出力要求は、約７０ｋＷである全負荷の、約１０％と全負荷との間で変化する可能性がある。
【００４６】
これらの出力要求に応じて、出力モジュール（ＭｄＰ）（図１）と呼ばれ、現状の電気化学セル燃料電池の寸法（セルの数Ｎ、活性面積Ｓ、電圧Ｖ及び対応する電流密度Ｊ、圧力Ｐ、温度Ｔ）の燃料電池の形態においては、電気化学セルの燃料電池から発生される電流Ｉは、約２５Ａ〜２５０Ａの範囲内にある。
【００４７】
活性面積Ｓ＝３１２ｃｍ２を有する、Ｎ＝４００セルからなる燃料電池については、この電流の範囲は、０．１〜０．８Ａ／ｃｍ２の電流密度に相当する。
【００４８】
本発明の燃料電池のモジュールの作動の管理方法は、燃料電池または電気化学セルの燃料電池を、一定の電流密度範囲内で作動するように拘束するステップを含む。典型的には、望ましい実施の形態において、本発明の燃料電池のモジュールの作動の管理方法は、電流密度を０．４〜０．８Ａ／ｃｍ２の範囲に維持することを可能にする。
【００４９】
本発明によれば、この作動モードは、各モジュールが直列に接続された複数の電気化学セルのモジュールからなる電気化学セルの燃料電池に適用される。１つの電気化学セルは、全負荷において、約０．７Ｖの電圧を生じる。特にオーム損失を減少させるために、電流を一定の値に制限することが望まれるなら、また自動車を駆動するために必要な出力は数ｋＷであるので、燃料電池は、直列の数百の電気化学セルを必要とする。
【００５０】
ところで、現状においては、主として積層と良好な作動（均質性）のために、１モジュールは、一般に、最大で約１００セルの燃料電池に制限される。
【００５１】
１実施例においては、７０ｋＷの出力のために、１７．５ｋＷの４つのモジュールが直列に接続される。電気化学セルの各モジュールは、１００個の基本セルから形成される。
【００５２】
図１は、例えば自動車を駆動するための電気モータに供給する電気出力を発生することを可能にする、改質装置付の燃料電池を示す。
【００５３】
このシステムは、車載の燃料タンク７に貯蔵され、導管８を介して供給されるガソリンまたはメタノールのような燃料から水素を生成することを可能にする改質装置９と、改質装置９から供給される水素と空気２９の酸素から電気出力を発生することを可能にする燃料電池１と、補助設備、特に第１空気コンプレッサ２８及び冷却回路３４〜３６、４〜６を含む。
【００５４】
燃料電池は、自動車の駆動系統の作動電圧に達するために直列に接続された、複数のセルから構成することができる。セルの寸法決めは、到達されるべき駆動系統の定格出力に応じて行われる。
【００５５】
燃料電池の１つのセルは、２極板と膜−電極組立体を含む。セルは改質装置９から生じる水素を消費して、アノード２に陽子と電子を形成する。陽子は、膜を通り抜けて移送され、電子は、２極板によって、燃料電池の出口における電気回路（図１には図示しない）へ移送される。カソード３においては、第１空気コンプレッサ２８と熱交換器２７によって、外部から取り込まれた空気２９の酸素が供給される。熱交換器２７は、第２空気コンプレッサ２６を介して、一方ではカソード３へ接続され、他方では改質装置９の適当な入口２５へ接続される。酸素は、陽子及び電子と結合して水を形成する。この水は、アノード２における出口２０を通って、従来技術において周知の装置２１〜２４によって、入口１８、１９へ向けて引き出されて、水タンク１４の中へ回収される。水ポンプ１５は、改質装置９の入口１６を通して水を改質装置９へ送り、一方、過剰な水は、ポンプ１２を含む回収回路によって、改質装置９の出口１１を通して回収される。ポンプ１２は、水を、アノード２の水和を制御するためにアノード２へ送り、また直接またはバルブを介して、水タンク１４の入口１７へ送る。
【００５６】
共に電気化学セルの燃料電池を形成する電気化学セルモジュールは、互いに直接は電気的に接続されないが、それらの電気的な接続は、電気接続ボックス（ＪＢ）によって実施される。電気接続ボックスは、電気化学セルと電気化学セルのモジュールをパワーエレクトロニクスモジュールへ電気的に接続するための手段によってパワーエレクトロニクスモジュールへ、また制御手段を介して制御装置へ接続されている。パワーエレクトロニクスモジュールと制御装置は、燃料電池が設けられた自動車の内部にある。
【００５７】
特有の１実施の形態においては、電気接続ボックスは、電気化学セルの１または複数のモジュールを電気的に切り離すための手段を含む。
【００５８】
特有の１実施の形態においては、１または複数のモジュールを電気的に切り離すための手段は、不良になったモジュールを検出するための手段と協動する。不良になったモジュールを検出するための手段が、不良になったモジュールのアドレスを検出したときには、該手段は、不良になったモジュールのアドレスを、１または複数のモジュールを電気的に切り離すための手段へ送る。このとき、１または複数のモジュールを電気的に切り離すための手段は、不良になったモジュールが属する、セルのモジュールにおける直列接続から、不良になったモジュールを切り離すように、その電気的な接続に作用を及ぼすことによって、不良なモジュールを電気的に切り離す。
【００５９】
特有の１実施の形態においては、不良になったモジュールを検出するための手段は、不良になったモジュールの存在を表示する手段も含む。このような指示は、自動車のダッシュボード上における警報装置のような、故障指示手段を用いて表示することができる。
【００６０】
特有の１実施の形態においては、不良になったモジュールの存在を表示する手段は、燃料電池の整備場へ行けるように残りのモジュールによって発生される出力を利用することを可能にするための、燃料電池が設けられた自動車の内部にある、パワーエレクトロニクスモジュールおよび制御装置の制御手段も含む。
【００６１】
特有の１実施の形態においては、残りのモジュールによって発生される出力の利用を可能にする制御手段は、燃料電池の整備場の地理的な位置を指示するための手段と協動する。
【００６２】
１または複数のモジュールを電気的に切り離すことを可能にする電気接続ボックスＪＢによって適用される、電気化学セルのモジュールの電気的な形態を用いて、本発明の燃料電池のモジュールの作動の管理方法は、その中で電気化学セルの燃料電池が作動する電流の電流密度値の範囲または間隔を決める、電気化学セルの燃料電池の作動モードを作動させることを可能にするステップを含む。
【００６３】
本発明の特有の１実施の形態においては、燃料電池の管理装置は、電気接続ボックスＪＢによって燃料電池から切り離された電気化学セルと電気化学セルのモジュールとの少なくとも一方へ通じる、アノードガス流とカソードガス流との少なくとも一方を遮断することを可能にする、流体遮断弁の開閉状態の制御手段も含む。
【００６４】
本発明の特有の１実施の形態においては、電気化学セルと電気化学セルのモジュールとの少なくとも一方を切り離すためのステップは、一時的に切り離されるモジュールのためのアノードガス流とカソードガス流の遮断ステップによって補完される。
【００６５】
望ましい１実施の形態においては、目標電流密度の範囲に達するために、本発明の燃料電池のモジュールの作動の管理方法は、４つの燃料電池のモジュールのうちの、１つ、２つ、３つまたは４つを作動させることからなる。
【００６６】
１実施の形態においては、本発明の燃料電池のモジュールの作動の管理方法は、一時的に切り離しする少なくとも１つのモジュールを決定するためのステップを含み、これによって、燃料電池の耐久性を保証する所定の電流密度の範囲内における、燃料電池の電気的な作動が保証される。
【００６７】
特有の１実施の形態においては、本発明の燃料電池のモジュールの作動の管理方法は、少なくとも１つの電気化学セルと電気化学セルのモジュールとの少なくとも一方を切り離すためのステップにおいて、本発明の燃料電池のモジュールの作動の管理方法によって作動させられる、燃料電池の作動モードの、パワーエレクトロニクスモジュール及び電気駆動システムの可能な作動モードとの整合性を考慮に入れるための先行ステップを含む。
【００６８】
特に、燃料電池の作動モードの整合性を考慮に入れるための先行ステップは、パワーエレクトロニクスモジュール及び電気駆動システムの実際に作動している電圧に応じた、切り離しの整合正のテストを実行する。
【００６９】
実際の状態においては、この拘束は、可能な作動を、４つの燃料電池のモジュールのうちの３つまたは４つに制限する。
【００７０】
これに基づいて、４つの燃料電池のモジュールに代えて、３つの燃料電池のモジュールを作動させる利点は以下の通りである。
【００７１】
１０ｋＷに近い出力範囲は、燃料電池の作動に対して、約１．５ｂａｒの圧力に相当し、このことは、分極の曲線を介してその反応に影響をおよぼす。
【００７２】
燃料電池の寸法決めは、最初に全負荷及び３．４ｂａｒに対して実行される。
【００７３】
これらの条件の下に、１．５ｂａｒの作動圧力における燃料電池の電圧Ｕ／電流密度Ｊ特性を参照して、次のような形態例が得られた。すなわち：  
−形態Ａ：４００セルを結集する４モジュール、Ｊ＝０．１Ａ／ｃｍ２、Ｕ＝０．８２Ｖ、Ｕｍｉｎ＝３２８Ｖ−４００Ｖ  および  Ｐ＝１０ｋＷ、及び
−形態Ｂ：３００セルを結集する３モジュール、Ｊ＝０．１５Ａ／ｃｍ２、Ｕ＝０．８Ｖ、Ｕｍｉｎ＝２４０Ｖ−３００Ｖ  および  Ｐ＝１１ｋＷ。
【００７４】
形態Ａ、Ｂ、Ｃ（形態Ｃについては下記参照）の実施例において、Ｊはセル当りの電流密度を示し、Ｕは各セルの作動電圧を示し、Ｕｍｉｎは燃料電池の最小作動電圧を示し、Ｐは燃料電池の作動電気出力を示す。
【００７５】
形態Ｂにおける作動モードは、電流密度の好ましい領域には達しないが、極めて好ましい。形態Ｂは、単モジュールへ下降することが可能であるべきであるが、このことは、システムの残りの部分との作動の整合性に関して不可能である。形態Ｂにおける作動モードは、活性な領域に相当する燃料電池の反応の不安定な領域から「脱出する」ことを可能にする。さらに、０．８ｖにおける作動は、この電圧以上では、活性層、特に改質装置とともに作動するために開発された触媒は、極めて不安定で、短い寿命を有するので、最大限であるように思われる。
【００７６】
膜についても同様であり、０．１５Ａ／ｃｍ２への移行は、０．１Ａ／ｃｍ２への移行よりも、膜と乾燥カソードでの作動に対してより良好である。
【００７７】
システムの実際の条件における作動時間の大部分においては、出力要求はかなり小さい。
【００７８】
またこのことは、このようにして３つのモジュールを低い出力要求条件下で使用し、１つのモジュールを長時間使用しないことによって、燃料電池全体の寿命を増加することが可能であることを意味する。
【００７９】
本発明の燃料電池のモジュールの作動の管理方法の特有の１実施の形態においては、少なくとも１つの電気化学セルと、少なくとも１つの電気化学セルのモジュールとの少なくとも一方を切り離すステップは、切り離し可能な各電気化学セルと各電気化学セルのモジュールとの少なくとも一方の切り離し時間配分規則に従って、少なくとも１つの上記電気化学セルと、少なくとも１つの上記電気化学セルのモジュールとの少なくとも一方を、電気化学セルの全体にわたって、寿命の延長を可能にする電流密度の作動条件を、平等に配分するように、選択するためのステップを含む。実際には、このステップは、３つのモジュールの使用に関するローテーションを実行することからなる。
【００８０】
本発明の燃料電池のモジュールの作動の管理装置の１実施の形態においては、燃料電池のモジュールの作動の管理装置は、接続されたモジュールの中から、電気化学セルのモジュールの寿命を延伸し、この目的で使用持続時間の配分を可能にするように、切り離すべき電気化学セルのモジュールを選択することを可能にする、調整−制御手段を含む。
【００８１】
燃料電池のモジュールの作動の管理方法は、例えば３０ｋＷについての、高出力要求に対しても実施することができ、２．５ｂａｒの作動圧力における燃料電池のＵ−Ｊ反応に関して、先の形態が得られた。すなわち：  
−形態Ａ：４００セルを結集する４モジュール、Ｊ＝０．３Ａ／ｃｍ２、Ｕ＝０．７７Ｖ、Ｕｍｉｎ＝３１０Ｖ−４００Ｖ  および  Ｐ＝３０ｋＷ、及び
−形態Ｂ：３００セルを結集する３モジュール、Ｊ＝０．４３Ａ／ｃｍ２、Ｕ＝０．７４Ｖ、Ｕｍｉｎ＝２２２Ｖ−３００Ｖ  および  Ｐ＝３０ｋＷ。
【００８２】
４つのもジュールから３つのモジュールへの切り換えの決定を可能にする閾値出力は、約５０ｋＷである（図２）。
【００８３】
より高い出力については、出力要求に達することを可能にする電流密度に対応するための燃料電池の電圧は、極めて低くなる（システムの効率に対する影響）。
【００８４】
３つのモジュールでの作動中に燃料電池を管理することの利点は次のとおりである。すなわち、本発明の燃料電池のモジュールの作動の管理方法は、以下のことを可能にする：  
・電気化学セルの燃料電池の寿命を改良する。この場合、２つの面が、電気化学セルの燃料電池の寿命の増加に貢献する：  
ａ．膜−電極組立体（ＭＥＡ）に対する好ましい電流密度及び電圧条件における、３つのモジュールの作動、及び、
ｂ．概ね１つのモジュールを作動させないことによるモジュールの作動の節約による、電気化学セルの燃料電池の使用時間の利得、
・本発明の燃料電池のモジュールの作動の管理方法を使用することによって、１つの管理ステップが、システムの最低の効率に該当する領域である、極めて低い電流密度における作動を回避することによって、自動車に設置された燃料電池の完全な作動サイクルにわたって、システムの効率を増加する目的を達成することを可能にする。この作動モードを実現するためには、燃料電池の電流が制御される必要がある。
【００８５】
すなわち、１．５ｂａｒの作動圧力についての先と同様のベースにおいて、下記の結果を得ることになる：  
−形態Ｃ：２００セルを結集する２モジュール、Ｊ＝０．２２Ａ／ｃｍ２、Ｕ＝０．７６Ｖ、Ｕｍｉｎ＝１５２Ｖ−２００Ｖ、Ｐ＝１０ｋＷ。
【００８６】
形態Ｃのような燃料電池の形態は、電気化学セルの燃料電池の寿命の持続時間を２倍にすることを可能にする。
【００８７】
図２は、本発明の燃料電池のモジュールの作動の管理方法の、特有の１実施の形態を、さまざまなステップの流れ図の形で、要約して示す。これらのステップにおいて：  
ステップ５０においては、自動車の使用に応じて要求される電気出力が推定され；次いで、
ステップ５２においては、推定された出力Ｐが、例えば５０ｋＷである閾値よりも低いか否かが決定され；次いで、
もし、ステップ５２におけるテストの結果がＮｏであれば、ステップ５４において、それぞれが要求され得る最大電気出力の少なくとも１／４を有する、それぞれ１００個の電気化学セルからなる、４つのモジュールによる燃料電池の作動を強制し；  
反対に、ステップ５２におけるテストの結果がＹｅｓであればば、ステップ５６において、それぞれが要求され得る最大電気出力の少なくとも１／４を有する、それぞれ１００個の電気化学セルからなる、３つのモジュールによる燃料電池の作動を決定し；次いで、
ステップ５８において、燃料電池の各モジュールについて記録された使用時間の瞬間的な値に応じて切り離すモジュールを決定し；次いで
ステップ６０において、切り離されるべきモジュールを切り離す電気接続ボックスＪＢによる切り離しの操作の前に、各モジュールの使用時間を記録する変数がとる様々な値に応じて、燃料電池の寿命を最適化するように、接続されたままに留まる３つのモジュールを選択する。ステップ６０は、要すれば、分離されるモジュールの流入口における流体の流入を閉じるステップによって補完される。
【００８８】
図３は、本発明による、自動車用の燃料電池の管理装置のブロック図を示す。
【００８９】
この装置は、図１で既に説明した、主として、改質装置８３と、空気源８５と、冷却液源８７からなる、従来の燃料電池の支援装置８２を含む。装置の全体は、制御コンピュータ８０の制御下におかれ、図１において説明した電気化学セル１のような、電気化学セルの燃料電池８１を含む。４００個の電気化学セルは、４つのモジュール９０〜９６に配分され、流体分配網１１０を介して流体を供給される。流体分配網１１０は、４つのモジュールのセルへ、カソードガス流と、アノードガス流と、冷却流を、制御電気弁９８〜１０４を介して配分する。
【００９０】
モジュール９０〜９６の電気化学セルの端子（図示しない）は、適当なコネクタを介してモジュールの電気接続ボックスＪＢ１０６へ、電気エネルギが駆動系統１０８へ伝達されるように接続される。一方、駆動系統（電気駆動システム）１０８は、制御コンピュータ８０が、先に述べたように、切り離されるモジュールを決定することを可能にするために、制御コンピュータへ、モジュールの電圧と、駆動系統１０８から要求される電圧との整合性に関する情報を返送する。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】燃料電池システムの主要構成部品を示すブロック図である。
【図２】本発明の燃料電池の作動の管理方法の流れ図である。
【図３】本発明による燃料電池の作動の管理装置のブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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