(57)【要約】  通常、燃料電池モジュールは、本質的に制限された負荷スルーレートを有する。このことは幾つかの用途には適しているが、緊密な負荷追従が望ましい場合には不適当である。典型的な燃料電池モジュールにおける動的応答の欠如が不適当であったという例は、燃料電池モジュールが負荷による電流需要の変化に対する事前知識を受け取らないかまたは受け取ることができないかもしれないスタンドアローンのＡＣ発電システム内に存在する。これとは対照的に、本発明は、燃料電池システムで使用するための電流コントローラ、適応電流制御装置を有する燃料電池システム、そして電流需要の急激な増大に対する比較的迅速な動的応答を可能にしつつ、システムに含まれる燃料電池モジュールによって供給される出力電流の制御された調整も行う適応電流コントローラを利用する、燃料電池システムの作動方法の提供を目的とする。この適応電流制御システムは、燃料電池モジュール、ウルトラキャパシタ、電流制限器、そして燃料電池システムの電流の状態を検出し制御するための幾つかの入力と少なくとも１つの出力を有するプロセッサを含む。
2008506242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池モジュールとウルトラキャパシタを含む燃料電池システムで使用するための適応電流コントローラであって、
前記ウルトラキャパシタが接続可能な第１の電気ノードと、
前記燃料電池モジュールと前記第１の電気ノードとの間に接続可能で、前記燃料電池モジュールの出力電流を上限電流レベルまでに調節可能に制限する電流制限器と、
前記燃料電池モジュールと前記電流制限器とに接続可能で、前記燃料電池モジュールの出力電流の測定値を受け取る第１の入力と、電流需要の測定値を受け取る第２の入力と、前記燃料電池モジュールに前記燃料電池モジュールの作動レベルを変えるための第１の制御信号を送る第１の出力と、前記出力電流の測定値と前記電流需要の測定値の関数として前記第１の制御信号を生成するためのロジックと、を有するプロセッサと、を備える適応電流コントローラ。
【請求項２】
前記プロセッサが、前記電流制限器に前記上限電流レベルを変えるための第２の制御信号を送る第２の出力と、前記作動レベルの関数として前記第２の制御信号を生成するための追加のロジックとをさらに備える、請求項１記載の適応電流コントローラ。
【請求項３】
前記ロジックが、（ｉ）前記出力電流と前記電流需要の少なくとも一方が増えたかどうかを判定し、（ｉｉ）前記第１の制御信号を使用して反応物質の流量を増やすことで前記作動レベルを変えるように前記燃料電池モジュールに信号を送るために具体化されたコンピュータ可読プログラムコード手段を含む、請求項１記載の適応電流コントローラ。
【請求項４】
前記コンピュータ可読プログラムコード手段が、（ｉｉｉ）前記第２の制御信号を使用して前記上限電流レベルを上げるように前記電流制限器に信号を送るための命令も含む、請求項３記載の適応電流コントローラ。
【請求項５】
現在の上限電流レベルが前記電流需要よりも低い場合に、前記上限電流レベルを上げるように信号を送る、請求項４記載の適応電流コントローラ。
【請求項６】
前記第１の制御信号を使用して送られた任意の増大に対する自動応答として前記上限電流レベルを上げるように信号を送る、請求項４記載の適応電流コントローラ。
【請求項７】
前記燃料電池モジュールが、送風機を利用して酸素を保持する周囲空気を前記燃料電池モジュールに供給する低圧燃料電池モジュールであり、前記第１の制御信号を利用して前記送風機の動作を変えることで、前記燃料電池モジュールに供給される酸素を保持する空気の量を変え、前記燃料電池モジュールの作動レベルを変える、請求項１記載の適応電流コントローラ。
【請求項８】
前記第１の電気ノードと負荷とを選択的に接続したり接続解除したりする切り替え装置をさらに備える、請求項１記載の適応電流コントローラ。
【請求項９】
前記プロセッサが、前記第１の電気ノードと負荷とを選択的に接続したり接続解除したりするために前記切り替え装置に第３の制御信号を送る第３の出力も有する、請求項８記載の適応電流コントローラ。
【請求項１０】
前記電流制限器が、前記プロセッサに接続可能で、前記電流制限器によって課せられた前記上限電流レベルを変えるための第２の制御信号を受け取る能動的な電子素子を含む、請求項１記載の適応電流コントローラ。
【請求項１１】
前記能動的な電子素子がトランジスタである、請求項１０記載の適応電流コントローラ。
【請求項１２】
前記電流制限器が、前記能動的な電子素子と並列で、前記第１の電気ノードまでの間で前記燃料電池モジュールを選択的に短絡させることで前記燃料電池モジュールの出力電流が前記能動的な電子素子をバイパスできるようにする切り替え機構を含む、請求項１０記載の適応電流コントローラ。
【請求項１３】
前記切り替え機構が、前記第１の電気ノードまでの間で前記燃料電池モジュールの電気出力を選択的に短絡させるための第３の制御信号を受け取るために前記プロセッサと接続可能である、請求項１２記載の適応電流コントローラ。
【請求項１４】
前記電流制限器が、前記燃料電池モジュールと前記第１の電気ノードとの間に接続された抵抗器とダイオードの直列結合を含む、請求項１記載の適応電流コントローラ。
【請求項１５】
前記電流制限器が、前記抵抗器とダイオードの直列結合に並列で、第１の電気ノードまでの間で前記燃料電池モジュールを選択的に短絡させることで前記燃料電池モジュールの出力電流が前記抵抗器とダイオードの直列結合をバイパスできるようにする切り替え機構を含む、請求項１４記載の適応電流コントローラ。
【請求項１６】
前記切り替え機構が、前記第１の電気ノードまでの間で前記燃料電池モジュールの電気出力を選択的に短絡させるための第３の制御信号を受け取るために、前記プロセッサと接続可能である、請求項１５記載の適応電流コントローラ。
【請求項１７】
前記燃料電池モジュールへの潜在的な逆電流を制限するためのダイオードをさらに備える、請求項１記載の適応電流コントローラ。
【請求項１８】
リップル電流を制限するためのインダクタをさらに備える、請求項１記載の適応電流コントローラ。
【請求項１９】
燃料電池モジュールと、
少なくとも１つウルトラキャパシタを有するウルトラキャパシタパックと、
適応電流コントローラであって、
前記ウルトラキャパシタが接続可能な第１の電気ノードと、
前記燃料電池モジュールと前記第１の電気ノードとの間に接続され、前記燃料電池モジュールの出力電流を上限電流レベルまでに調節可能に制限する電流制限器と、
前記燃料電池モジュールと前記電流制限器とに接続され、前記燃料電池モジュールの出力電流の測定値を受け取る第１の入力と、電流需要の測定値を受け取る第２の入力と、前記燃料電池モジュールに前記燃料電池モジュールの作動レベルを変えるための第１の制御信号を送る第１の出力と、前記出力電流の測定値と前記電流需要の測定値との関数として前記第１の制御信号を生成するためのロジックと、を有するプロセッサと、
を有する適応電流コントローラと、を備える燃料電池システム。
。
【請求項２０】
前記プロセッサが、前記電流制限器に前記上限電流レベルを変えるための第２の制御信号を送る第２の出力と、前記作動レベルの関数として前記第２の制御信号を生成するための追加のロジックと、をさらに備える、請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記ロジックが、（ｉ）前記出力電流と前記電流需要の少なくとも一方が増えたかどうかを判定し、（ｉｉ）前記第１の制御信号を使用して反応物質の流量を増やすように前記燃料電池モジュールに信号を送るために具体化されたコンピュータ可読プログラムコード手段を含む、請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記コンピュータ可読プログラムコード手段が、（ｉｉｉ）前記第２の制御信号を使用して前記上限電流レベルを上げるように前記電流制限器に信号を送るための命令も含む、請求項２１記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
現在の上限電流レベルが前記電流需要よりも低い場合に前記上限電流レベルを上げるように信号を送る、請求項２２記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記第１の制御信号を使用して送られた任意の増大に対する自動応答として前記上限電流レベルを上げるように信号を送る、請求項２２記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記燃料電池モジュールが、送風機を利用して酸素を保持する周囲空気を前記燃料電池モジュールに供給する低圧燃料電池モジュールであり、前記第１の制御信号を利用して前記送風機の動作を変えることで前記燃料電池モジュールに供給される酸素を保持する空気の量を変え、前記燃料電池モジュールの作動レベルを変える、請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項２６】
前記第１の電気ノードと負荷を選択的に接続したり接続解除したりするための切り替え装置をさらに備える、請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項２７】
前記プロセッサが、前記第１の電気ノードと負荷を選択的に接続したり接続解除したりするために前記切り替え装置に第３の制御信号を送る第３の出力も有する、請求項２６記載の燃料電池システム。
【請求項２８】
前記電流制限器が、前記プロセッサに接続可能で、前記電流制限器によって課せられた前記上限電流レベルを変えるための第２の制御信号を受信する能動的な電子素子を含む、請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項２９】
前記能動的な電子素子がトランジスタである、請求項２８記載の燃料電池システム。
【請求項３０】
前記電流制限器が、前記能動的な電子素子に並列で、前記第１の電気ノードまでの間で前記燃料電池モジュールを選択的に短絡させることで前記燃料電池モジュールの出力電流が前記能動的な電子素子をバイパスできるようにする切り替え機構を含む、請求項２８記載の燃料電池システム。
【請求項３１】
前記切り替え機構が、前記第１の電気ノードまでの間で前記燃料電池モジュールの電気出力を選択的に短絡させるための第３の制御信号を受け取るためにプロセッサと接続可能である、請求項３０記載の燃料電池システム。
【請求項３２】
前記電流制限器が、前記燃料電池モジュールと前記第１の電気ノードとの間に接続された抵抗器とダイオードの直列結合を含む、請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項３３】
前記電流制限器が、前記抵抗器とダイオードの直列結合に並列で、前記第１の電気ノードまでの間で前記燃料電池モジュールを選択的に短絡させることで前記燃料電池モジュールの出力電流が前記抵抗器とダイオードの直列結合をバイパスできるようにする切り替え機構を含む、請求項３２記載の燃料電池システム。
【請求項３４】
前記切り替え機構が、前記第１の電気ノードまでの間で前記燃料電池モジュールの電気出力を選択的に短絡させるための第３の制御信号を受け取るために前記プロセッサと接続可能である、請求項３３記載の燃料電池システム。
【請求項３５】
前記燃料電池モジュールへの潜在的な逆電流を制限するためのダイオードをさらに備える、請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項３６】
リップル電流を制限するためのインダクタをさらに備える、請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項３７】
燃料電池モジュールとウルトラキャパシタを含む燃料電池システムの作動方法であって、
前記燃料電池モジュールの出力電流と電流需要を測定するステップと、
前記出力電流と前記電流需要の少なくとも一方が変化したかどうかを判定するステップと、
前記出力電流と前記電流需要のいずれかの変化に応答して反応物質の流量を変えるように前記燃料電池モジュールに信号を送るステップと、を含む方法。
【請求項３８】
前記電流需要が前記燃料電池モジュールに課せられた上限電流レベルよりも大きいかどうかを判定するステップと、
前記電流需要のほうが前記上限電流レベルよりも大きい場合に前記上限電流レベルを上げるステップと、をさらに含む請求項３７記載の方法。
【請求項３９】
前記出力電流と前記電流需要の少なくとも一方が増えた場合に、反応物質の流量を増やすように前記燃料電池モジュールに信号を送る、請求項３７記載の方法。
【請求項４０】
前記出力電流と前記電流需要の両方が減った場合に、反応物質の流量を減らすように前記燃料電池モジュールに信号を送る、請求項３７記載の方法。
【請求項４１】
燃料電池モジュールとウルトラキャパシタを含む燃料電池システムの作動方法であって、
前記ウルトラキャパシタの電圧と電荷の少なくとも一方を監視するステップと、
前記電圧と前記電荷の監視されている少なくとも一方が第１の下限よりも低いかどうかを判定するステップと、
前記電圧と前記電荷の監視されている少なくとも一方が前記第１の下限よりも低い場合に、前記燃料電池モジュールをオンにするかまたは前記燃料電池モジュールの出力電流を増やすステップと、
前記燃料電池モジュールの出力電流を監視するステップと、
前記出力電流が第２の下限よりも低いかどうかを判定するステップと、
前記出力電流が前記第２の下限よりも低い場合に前記燃料電池モジュールをオフにするステップと、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に燃料電池モジュールからの電流引き出しを制御するための装置、システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、蓄積された反応物質の化学エネルギーから、特定の電気化学プロセスにしたがって電気エネルギーを生成する電気化学装置の一種である。ある特定の種類の燃料電池の一例が、負荷に電気エネルギーを供給するように作動するプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池である。一般に、ＰＥＭ燃料電池は、陽極、陰極、そしてこれらの間に配置される薄いポリマー膜を含む。電気、熱及び水を生成する１つの組の相補的な電気化学反応のための反応物質として、水素と酸化剤が供給される。
【０００３】
燃料電池の酸化剤は、酸素を保持する周囲空気によって供給することができる。高圧燃料電池システムでは、酸素が燃料電池スタックの陰極に供給される速度や圧力を高めるために、空気圧縮機によって周囲空気を送り込む。しかしながら空気圧縮機は典型的に、作動に比較的大量のエネルギー入力を要する。こういった比較的大量のエネルギーを空気圧縮機に供給すると、動力装置として作動する燃料電池モジュールの全体的な効率が低下する。
【０００４】
酸化剤の入力ストリームに対する入力圧力要求を緩和された低圧燃料電池システムが開発された。その結果、空気圧縮機をより低エネルギーの送風機に置き換えることができ、そうすることで燃料電池モジュールの全体的な効率が上がる。しかしながら多くの低圧燃料電池システムに共通する問題は、こういったシステムが典型的に、急激なおよび／または急速な負荷の変動に対する過渡的応答の出力が遅いことである。例えば、燃料電池を動力とする車両では、急速な加速によって燃料電池モジュールから引き出される出力電流の急激な増大が生じる。燃料電池モジュール内から利用可能な反応物質を急激に使い果たすこのモジュール内の電気化学反応速度の一時的な増大の結果であるため、こういった出力電流の増大は一時的なもので持続することはない。反応物質が十分な速度で補充されなければ燃料電池モジュールは失速し、損傷する可能性がある。さらに、出力電流の過渡的増大が、燃料電池モジュールを損傷させ得る電流スパイクである可能性もある。従来から知られている部分的な解決策として、より大量の周囲空気を燃料電池モジュールに送り込むことができるより強力な送風機を利用し、必要に応じてより多くの酸素を送って電気化学反応を促進することで失速の事例を減らすことが挙げられる。しかしながらこの解決策は、出力電流需要の急激な増大と、より大きな出力電流を生成する電気化学反応速度を速めるのに要する時間との間のタイムラグについて有効に対処していない。さらに、より強力な送風機はより大きなエネルギーを要するため、効率が低下する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１実施形態の１態様によると、燃料電池モジュールとウルトラキャパシタを含む燃料電池システムで使用するための適応電流コントローラが提供されており、この適応電流コントローラは、ウルトラキャパシタが接続可能な第１の電気ノードと、燃料電池モジュールと第１の電気ノードとの間に接続可能で、燃料電池モジュールの出力電流を上限電流レベルまでに調節可能に制限する電流制限器と、燃料電池モジュールと電流制限器とに接続可能で、燃料電池モジュールの出力電流の測定値を受け取る第１の入力と、電流需要の測定値を受け取る第２の入力と、燃料電池モジュールに燃料電池モジュールの作動レベルを変えるための第１の制御信号を送る第１の出力と、出力電流の測定値と電流需要の測定値の関数として第１の制御信号を生成するためのロジックと、を有するプロセッサと、を備える。
【０００６】
幾つかの実施形態では、プロセッサは、電流制限器に上限電流レベルを変えるための第２の制御信号を送る第２の出力と、作動レベルの関数として第２の制御信号を生成するための追加のロジックとをさらに備える。
【０００７】
幾つかの実施形態では、ロジックは、（ｉ）出力電流と電流需要の少なくとも一方が増えたかどうかを判定し、（ｉｉ）第１の制御信号を使用して反応物質の流量を増やすことで作動レベルを変えるように燃料電池モジュールに信号を送るために具体化されたコンピュータ可読プログラムコード手段を含む。幾つかのより具体的な実施形態では、コンピュータ可読プログラムコード手段は、（ｉｉｉ）第２の制御信号を使用して上限電流レベルを上げるように電流制限器に信号を送るための命令も含む。幾つかのさらに具体的な実施形態では、現在の上限電流レベルが電流需要よりも低い場合に、上限電流レベルを上げるように信号を送る。他のより具体的な実施形態では、第１の制御信号を使用して送られた任意の増大に対する自動応答として上限電流レベルを上げるように信号を送る。
【０００８】
幾つかの実施形態では、燃料電池モジュールは、送風機を利用して酸素を保持する周囲空気を燃料電池モジュールに供給する低圧燃料電池モジュールであり、第１の制御信号を利用して送風機の動作を変えることで、燃料電池モジュールに供給される酸素を保持する空気の量を変え、燃料電池モジュールの作動レベルを変える。
【０００９】
幾つかの実施形態では、電流制限器は、プロセッサに接続可能で、電流制限器によって課せられた上限電流レベルを変えるための第２の制御信号を受け取る能動的な電子素子を含む。幾つかのより具体的な実施形態では、能動的な電子素子はトランジスタである。他のより具体的な実施形態では、電流制限器は、能動的な電子素子と並列で、第１の電気ノードまでの間で燃料電池モジュールを選択的に短絡させることで燃料電池モジュールの出力電流が能動的な電子素子をバイパスできるようにする切り替え機構を含む。幾つかのさらに具体的な実施形態では、切り替え機構は、第１の電気ノードまでの間で燃料電池モジュールの電気出力を選択的に短絡させるための第３の制御信号を受け取るためにプロセッサと接続可能である。
【００１０】
幾つかの実施形態では、電流制限器は、燃料電池モジュールと第１の電気ノードとの間に接続された抵抗器とダイオードの直列結合を含む。幾つかのより具体的な実施形態では、電流制限器は、抵抗器とダイオードの直列結合に並列で、第１の電気ノードまでの間で燃料電池モジュールを選択的に短絡させることで燃料電池モジュールの出力電流が抵抗器とダイオードの直列結合をバイパスできるようにする切り替え機構を含む。幾つかのさらに具体的な実施形態では、切り替え機構は、第１の電気ノードまでの間で燃料電池モジュールの電気出力を選択的に短絡させるための第３の制御信号を受け取るために、プロセッサと接続可能である。
【００１１】
本発明の１つの実施形態の１つの態様によると、燃料電池モジュールと、少なくとも１つのウルトラキャパシタを有するウルトラキャパシタパックと、適応電流コントローラとを備え、この適応電流コントローラは、ウルトラキャパシタが接続可能な第１の電気ノードと、燃料電池モジュールと第１の電気ノードとの間に接続され、燃料電池モジュールの出力電流を上限電流レベルまでに調節可能に制限する電流制限器と、燃料電池モジュールと電流制限器に接続され、燃料電池モジュールの出力電流の測定値を受け取る第１の入力と、電流需要の測定値を受け取る第２の入力と、燃料電池モジュールに燃料電池モジュールの作動レベルを変えるための第１の制御信号を送る第１の出力と、出力電流の測定値と電流需要の測定値との関数として第１の制御信号を生成するためのロジックとを有する燃料電池システムが提供される。
【００１２】
本発明の１つの実施形態の１つの態様によると、燃料電池モジュールとウルトラキャパシタを含む燃料電池システムの作動方法が提供されており、この方法は、燃料電池モジュールの出力電流と電流需要を測定するステップと、出力電流と電流需要の少なくとも一方が変化したかどうかを判定するステップと、出力電流と電流需要のいずれかの変化に応答して反応物質の流量を変えるように燃料電池モジュールに信号を送るステップと、を含む。
【００１３】
幾つかの実施形態では、この方法はさらに、電流需要が燃料電池モジュールに課せられた上限電流レベルよりも大きいかどうかを判定するステップと、電流需要のほうが上限電流レベルよりも大きい場合に上限電流レベルを上げるステップと、を含む。幾つかの実施形態では、出力電流と電流需要の少なくとも一方が増えた場合に、反応物質の流量を増やすように燃料電池モジュールに信号を送る。幾つかの実施形態では、出力電流と電流需要の両方が減った場合に、反応物質の流量を減らすように燃料電池モジュールに信号を送る。
【００１４】
本発明の１つの実施形態の１つの態様によると、燃料電池モジュールとウルトラキャパシタを含む燃料電池システムの作動方法が提供され、この方法は、ウルトラキャパシタの電圧と電荷の少なくとも一方を監視するステップと、電圧と電荷の監視されている少なくとも一方が第１の下限よりも低いかどうかを判定するステップと、電圧と電荷の監視されている少なくとも一方が第１の下限よりも低い場合に、燃料電池モジュールをオンにするかまたは燃料電池モジュールの出力電流を増やすステップと、燃料電池モジュールの出力電流を監視するステップと、出力電流が第２の下限よりも低いかどうかを判定するステップと、出力電流が第２の下限よりも低い場合に燃料電池モジュールをオフにするステップとを含む。
【００１５】
本発明の他の態様や特徴は、本発明の特定の実施形態の以下の説明を検討することで当業者に明らかになるであろう。
【００１６】
本発明をよりよく理解し、どのようにして実行に移すかをより明確に示すために、本発明の実施形態の態様を示す添付図面を例として参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
燃料電池スタックは、典型的に、直列に接続された多数の燃料電池からなる。この燃料電池スタックは、定常状態動作において燃料電池スタックの動作パラメータや機能を維持するように特に構成された、まとめて「バランスオブプラント」システムと呼ばれる支持構成要素の適当な組み合わせを含む、燃料電池モジュールに含まれる。バランスオブプラントシステムの例示的な機能としては、種々の圧力、温度、流量の維持や調整が挙げられる。したがって、燃料電池モジュールが、燃料電池モジュールの機能や動作のサポートのために利用される、関連する構造上の構成要素、機械システム、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアの適当な組み合わせも含むことを当業者なら理解するであろう。こういった項目には、配管、センサ、調整器、電流コレクタ、シール、絶縁体、電気化学コントローラが制限なく含まれる。本発明に特有の態様に関連するこういった項目のみを、以下に説明する。
【００１８】
種々の燃料電池技術が多数存在し、本発明は一般に、全ての種類の燃料電池に適用可能であることを想定している。本発明の非常に具体的な例である実施形態は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池での使用のために作成した。他の種類の燃料電池には、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、再生型燃料電池（ＲＦＣ）が制限なく含まれる。
【００１９】
図１を参照すると、電気化学電池モジュールの動作に関する幾つかの一般的な考慮事項を示すために本明細書中で説明されるプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池モジュール（以下単に燃料電池モジュール１００と称する）の簡略化した概略図が示されている。１つまたはそれより多くの燃料電池を含む種々の構造の燃料電池モジュールに本発明を適用できることが理解されるであろう。
【００２０】
燃料電池モジュール１００は、陽電極２１と陰電極４１を含む。この陽電極２１は、ガス入口２２とガス出口２４を含む。同様に、陰電極４１はガス入口４２とガス出口４４を含む。陽電極２１と陰電極４１との間には、電解質膜３０が配置される。
【００２１】
燃料電池モジュール１００はまた、陽電極２１と電解質膜３０との間に第１の触媒層２３と、陰電極４１と電解質膜３０との間に第２の触媒層４３も含む。幾つかの実施形態では、第１と第２の触媒層２３、４３が陽電極２１と陰電極４１それぞれに直接付着する。
【００２２】
陽電極２１と陰電極４１との間には、負荷１１５が接続可能である。
【００２３】
動作においては、水素燃料が何らかの所定の条件下でガス入口２２を介して陽電極２１へと導入される。所定の条件の例として、流量、温度、圧力、相対湿度、水素と他のガスとの混合物などの因子が制限なく含まれる。この水素は、電解質膜３０と第１の触媒層２３の存在下で、以下に与える反応（１）にしたがって電気化学反応を起こす。
（１）  Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
反応（１）の化学生成物は、水素イオン（即ち、カチオン）と電子である。この水素イオンは、電解質膜３０を通って陰電極４１へと至る。その一方で、電子は負荷１１５を通って引き出される。余分な水素は（時に他のガスおよび／または流体と結合して）、ガス出口２４を通って排出される。
【００２４】
同時に、周囲空気中の酸素などの酸化剤が、何らかの所定の条件下でガス入口４２を介して陰電極４１へと導入される。所定の条件の例として、流量、温度、圧力、相対湿度、酸化剤と他のガスとの混合物などの因子が制限なく含まれる。余分な酸化剤を含めた余分なガスや生成された水は、ガス出口４４を通って陰電極４１から排出される。上記のように低圧燃料電池システム（モジュール）では、酸素は、送風機（図示せず）を使用して燃料電池スタックへと導かれる酸素を保持する周囲空気から供給される。
【００２５】
酸化剤は、電解質膜３０と第２の触媒層４３の存在下で、以下に与える反応（２）にしたがって電気化学反応を起こす。
（２）１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
【００２６】
反応（２）の化学生成物は、水である。陽電極２１における反応（１）で生成された電子と電離水素原子は、陰電極４１における反応（２）で電気化学的に消費される。電気化学反応（１）および（２）は互いに相補的で、電気化学的に消費される酸素分子（Ｏ2）各々に対して２つの水素分子（Ｈ2）が電気化学的に消費されることを示している。
【００２７】
反応物質、水素、酸素が燃料電池モジュール１００に運搬される速度や圧力によって、反応（１）および（２）が起こる速度がもたらされる。反応速度は、負荷１１５の電流需要の影響も受ける。負荷１１５の電流需要が増大すると、反応（１）および（２）の反応速度は電流需要を満たそうとして速くなる。
【００２８】
燃料電池モジュール１００の消費要求をサポートする速度で反応物質を補充しなければ、高速の反応速度を維持することはできない。上述のように、燃料電池の発電機（即ち、図１に示すような、負荷に電力を供給するために利用する燃料電池モジュール）は定常状態では優れた性能を呈するが、負荷からの電流需要の急激な変化に対する動的応答という点ではあまり良く稼動しないおそれがある。
【００２９】
即ち、燃料電池は本質的に制限された負荷スルーレートを持っているのが普通で、このスルーレートは幾つかの用途には十分であるが、緊密な負荷追従が望ましい場合には不十分である。典型的な燃料電池モジュールにおける動的応答の本質的欠如が不十分であったという例は、燃料電池モジュールが負荷による電流需要の変化についての「事前」の認識を受け入れないかまたは受け入れることができないスタンドアローンのＡＣ発電システムにある。
【００３０】
対照的に、本発明の幾つかの実施形態は、電流需要の急激な増大に対する比較的高速の動的応答を可能にする一方で、燃料電池システムに含まれる燃料電池モジュールの作動レベルに対する制御された調整（例えば、所望の出力電流に応じた反応物質の流量（単数または複数）の制御された調整）も行う、適応電流制御装置を伴う燃料電池システムを提供する。
【００３１】
より高速な動的応答の燃料電池システムを提供しようとする試みでは、燃料電池モジュールをより優れた過渡的挙動を呈する別の電源に接続することができる。典型的にはこのことを実現するためにバッテリーを使用してきたが、バッテリーには、例えば、重量、限られた耐久性、毒性のある化学物質を含む固有の欠点がある。燃料電池モジュールと一緒にバッテリーを使用するのは、燃料電池システムの所望の出力が多数のバッテリーを要する用途には通常不適当である。さらに、バッテリーは比較的低い平均電力を比較的長い寿命にわたって供給するように設計されているのが普通である。対照的に、電流（または電力）需要の急激な増大に対して過渡的応答をするためにバッテリーを使用することによって（バッテリーは一度に大きな電流を短時間で与えなければならないことを意味する)、バッテリーの劣化が加速し寿命が短縮されることが多い。
【００３２】
よりよい選択肢は、バッテリーの代わりにウルトラキャパシタを使用することである。ウルトラキャパシタは、電流バーストを蓄積しすぐに高出力密度で解放するのに適している。特に、本発明の幾つかの実施形態によると、大電流で大容量のウルトラキャパシタとＰＥＭ燃料電池モジュールとを有利に組み合わせ、比較的高速な動的応答の燃料電池システムを提供することができる。しかしながら、ウルトラキャパシタは短時間の電流バーストを供給するのには適しているが、一般には大容量のウルトラキャパシタでも、長時間の過渡的ピーク負荷にわたって電流を与えるほどの蓄積容量はない。
【００３３】
ウルトラキャパシタ（単数または複数）の蓄積容量の減少中および／または減少後にも燃料電池システムから高レベルの出力電流を供給するために、別の装置を利用することができる。本発明の幾つかの実施形態によると、燃料電池モジュールを利用し、負荷からの電流需要の急激な増大後にも燃料電池システムに必要とされ続けるであろう高レベルの出力電流を供給する。燃料電池モジュールは、燃料電池システムの過渡的応答を全体的に管理する「適応電流制御機能」によって制御される。この適応電流制御機能は、燃料電池モジュールに含まれるバランスオブプラントシステムに統合されてもよいし、燃料電池モジュールに接続可能な別個のコントローラに設けられてもよい。
【００３４】
ウルトラキャパシタパックと燃料電池モジュールを組み合わせることの利点は、ピーク電力（または電流）需要が短時間しか続かない場合に、特定の負荷の電力要求を満たすように燃料電池モジュールを設計しなくてもよいことである。即ち、ピーク電力要求が限られた需要のバーストで生じる場合に、燃料電池モジュールがウルトラキャパシタパックと一緒に出力電流バーストを与えるならば、（モジュール内の）燃料電池スタックのサイズをピーク電力に合わせて決める代わりに、より少ない平均電力を与えるように燃料電池スタックのサイズを決めることができる。
【００３５】
以下は、前の段落で説明した利点をよりよく示すために与えられた非限定的な例の説明である。２０ｋＷのピーク負荷要求と２．５ｋＷの平均電力引き出しとを組み合わせた用途を考える。ピーク電力と平均電力引き出しとの比は、約８：１である。こういった用途は、ウルトラキャパシタパックと組み合わせて提供される小型の燃料電池で対処できる。燃料電池スタックのみを利用するならば、燃料電池スタックは要求されれば２０ｋＷのピーク電力を供給しなければならないであろう。これに対してウルトラキャパシタパックと共に燃料電池スタックを使用することによって、ほんの５ｋＷのピーク電力を供給するようにサイズが決められた燃料電池スタックを使用することができる。要求された特別な電力を、短いバーストにわたって必要に応じて供給することができるように、ウルトラキャパシタパックのサイズを決める。ここでは、両方のシステム（即ち、燃料電池モジュール単独とウルトラキャパシタパックと組み合わせた燃料電池モジュール）が同じ平均総電力出力（２．５ｋＷ）を有することに注目されたい。
【００３６】
燃料電池の技術は（ウルトラキャパシタと比較しても）依然として非常に高価であるため、燃料電池とウルトラキャパシタを組み合わせることによって燃料電池ベースの発電機の全体的なコストを下げることができる。さらに、非毒性物質で作られたウルトラキャパシタもあり、このことが、毒性物質および／または危険物質を含むバッテリーに比べて、こういったウルトラキャパシタを、毒物の流出および／またはガス漏れの可能性を低減しなければならない環境での使用に適したものとさせている。
【００３７】
多くの市販のウルトラキャパシタは、限られた電圧特徴（例えば、約２．５Ｖ）を有する。したがって、より高い電圧に対応するためには、多数のウルトラキャパシタを直列に接続しなければならない。多数のウルトラキャパシタの直列編成をストリングとよぶ。例えば、６０Ｖの使用電圧に対応するためには、直列編成の２４個の２．５Ｖウルトラキャパシタを使用できる。通常ウルトラキャパシタの製造者によって提供されるウルトラキャパシタストリングにわたって総電圧が均等に分散するようにするためには、特別な回路が必要となることが多い。さらに、所与の用途に対してより高い容量が必要な場合は、ウルトラキャパシタおよび／またはウルトラキャパシタストリングを電気的に並列に配置することができる。ウルトラキャパシタパック内でウルトラキャパシタおよび／またはウルトラキャパシタストリングを並列に配置することには、通常、ウルトラキャパシタパックの同等の直列抵抗を低くできるという付加的な利点があり、このことによって出力電流（ひいては電力）供給機能が向上する。
【００３８】
ウルトラキャパシタパックと燃料電池モジュールとを組み合わせることのもう１つの利点は、この組み合わせを回生ブレーキシステムを利用する車両とさらに組み合わせることができるということである。燃料電池システムは、ある用途からの電力を蓄積するようには通常設計されていないため、回生ブレーキプロセスおよび／またはこれと同等のプロセスの際に獲得したエネルギーを蓄積するために別の装置を使用しなければならない。ウルトラキャパシタは、動作の充電モードと放電モードの両方でうまく作動する。このことによって、上述したことと同じ理由からバッテリーよりもよく電力を獲得することができる。
【００３９】
図２を参照すると、本発明の１実施形態に係る適応電流制御装置を有する第１の燃料電池システムの概略図が示されている。第１の燃料電池システムは、図１の燃料電池モジュール１００と負荷１１５を含む。第１の燃料電池システムはまた、適応電流コントローラ７０と、少なくとも１つのウルトラキャパシタ（図示せず）を収容するウルトラキャパシタパック９０も含む。適応電流コントローラは、燃料電池モジュール１００と負荷１１５との間に電気的に直列に接続される。ウルトラキャパシタパック９０は、負荷１１５に並列に接続される。より具体的にいうと、図２にＡで示す第１の電気ノードが設けられ、これにウルトラキャパシタパック９０と負荷１１５が互いに並列に接続される。燃料電池モジュール１００の電流出力もまた、適応電流コントローラ７０を介して第１の電気ノードＡに接続する。
【００４０】
簡単にいうと、動作時には、負荷電流ｉLOADは、燃料電池モジュール１００の出力電流ｉFCとウルトラキャパシタパック９０の出力電流ｉUCとの合計である。負荷１１５の電流需要を表すためにも記号ｉLOADを使用する。その理由は、燃料電池モジュール１００とウルトラキャパシタパックの組み合わせから電流を引き出すのは負荷１１５であり、第１の燃料電池システムが応答する対象も負荷１１５であるためである。適応電流コントローラ７０は、負荷１１５によって引き出された燃料電池モジュール１００からの（実際の）出力電流ｉFCを上限電流レベルｉ’FCまでに制限する役目を果たし、電流需要ｉLOADを満たすために燃料電池モジュール１００が必要に応じて出力電流ｉFCを制御可能に増大できるようにする。このことは、電流需要ｉLOADが急激に増大した後過渡的応答を管理するのに特に有用である。こういったときにウルトラキャパシタパック９０は、上述ような限られた電流ｉ’FCに加えて、負荷１１５に対して追加量の電流ｉUCを供給する。
【００４１】
燃料電池の出力電流ｉFCは上限レベルであるｉ’FCまでに制限されているが、定常状態動作時に必ずしも上限レベルｉ’FCまたはこの上限レベル付近であるわけではない。実際には、燃料電池モジュール１００の出力電流ｉFCはこれより低く、定常状態動作時の上限レベルｉ’FCおよび／または電流需要ｉLOADのゆっくりとした過渡的変化（この場合、負荷電流ｉLOADは実際の出力電流ｉFCとウルトラキャパシタからの出力電流ｉUCを含む）より低い範囲で変化することができる。
【００４２】
多くの場面で、ウルトラキャパシタからの出力電流ｉUCは、定常状態動作ではゼロである。電流需要ｉLOADのゆっくりとしたまたは迅速な過渡的変化の際、ウルトラキャパシタからの出力電流はゼロではない値でプラスである（即ち、負荷１１５に向かって流れる）。ウルトラキャパシタパック９０は、電流需要ｉLOADのゆっくりとしたまたは迅速な過渡的変化の後、自身を構成するウルトラキャパシタに蓄積された電荷を補充する必要があるかもしれない。この場合、ウルトラキャパシタパック９０からの出力電流はゼロではない負の値である（即ち、ウルトラキャパシタパック９０に向かって流れる）。ウルトラキャパシタパック９０に流れる電流は燃料電池モジュール１００から与えられ、適応電流コントローラ７０によって制限される。ウルトラキャパシタの充電プロセスを以下により詳細に説明する。
【００４３】
続けて図２を参照すると、適応電流コントローラ７０は、電流制限器７１、第１および第２の電流検出装置７５、７７そしてプロセッサ７２を含む。
【００４４】
電流制限器７１は、燃料電池モジュールの出力と第１の電気ノードＡとの間に直列に接続されており、燃料電池モジュール１００の出力電流ｉFCを上限電流レベルｉ’FCまでに制限する手段を提供する。種々の別の実施形態では、適応電流コントローラ７０をバックコンバータ（ハイ−ロー電圧ＤＣ−ＤＣコンバータに類似する）、ブーストコンバータおよび／またはデュアルファクション（バック−ブースト）コンバータを提供するバックコンバータとブーストコンバータの組み合わせとして構成することができる。さらに、電流制限器７１を正または負の出力レール／接続部に配置できることを、当業者なら容易に理解するだろう。
【００４５】
第１の電流検出装置７５は、燃料電池モジュール１００の電流出力と電流制限器７１との間に接続され、燃料電池モジュール１００の実際の出力電流ｉFCを検出／測定する。第１の電流検出装置７５はプロセッサ７３にも接続され、実際の出力電流ｉFCの検出値／測定値をプロセッサ７３に送る。同様に、第２の電流検出装置７７は第１の電気ノードＡと負荷１１５との間に接続され、負荷電流ｉLOAD（即ち、負荷１１５へと流れる電流）を検出／測定する。第２の電流検出装置７７はプロセッサ７３にも接続し、実際の負荷電流ｉLOADの検出値／測定値をプロセッサ７３に送る。
【００４６】
プロセッサ７３には２つの入力と２つの出力が設けられる。この２つの入力には、燃料電池モジュールからの実際の出力電流ｉFCの検出値／測定値を受け取るための第１の入力と、負荷電流ｉLOADの検出値／測定値を受け取るための第２の入力が含まれる。２つの出力には、燃料電池モジュール１００と電流制限器７１それぞれに向けられた第１の制御信号７６と第２の制御信号７８が含まれる。プロセッサ７３はまた、特に負荷１１５からの電流需要ｉLOADの急激な増大後の過渡的周期中に、燃料電池モジュールの出力電流ｉFCを適応的に制限し制御するためのロジックも含む。
【００４７】
上に簡単に説明したように、動作においては、燃料電池モジュール１００の出力電流ｉFCは、負荷１１５からの電流需要ｉLOADの急激な増大の直後にまず制限される。この間ウルトラキャパシタパック９０がｉUCを供給することで、最初の過渡的要求を自動的に満たす。これと同時に適応電流コントローラ７０によって、燃料電池モジュール１００は、負荷１１５が要求した電流バーストがウルトラキャパシタパック９０によってまず満たされている間に、自身の出力電流ｉFCを増大することができる。
【００４８】
電流検出装置７５および７７は出力電流ｉFCと電流需要ｉLOADを検出／測定し、それぞれの測定値をプロセッサ７３に送る。プロセッサ７３は、測定した電流値を使用して第１および第２の制御信号７６と７８を生成する。
【００４９】
第１の制御信号７６は、燃料電池モジュール１００によって供給される出力電流ｉFCを変化させるために使用する。急激な変化の後も電流需要ｉLOADが高いままの場合、プロセッサ７３は燃料電池モジュール１００に信号を送って反応（１）および（２）の反応速度を速くすることで、燃料電池モジュール１００により大きな電流を生成させる（即ち、ｉFCを増大させる）。その一方で、電流需要ｉLOADの変化に消極的で、電流需要ｉLOADが急激な変化前よりも低いままであり続ける場合もある。こういった場合は、プロセッサ７３は燃料電池モジュール１００に信号を送って反応（１）および（２）の反応速度を遅くすることで、燃料電池モジュール１００にあまり電流を生成させない（即ち、ｉFCを減少させる）。幾つかの実施形態では、燃料電池モジュール１００は、１つまたはそれより多くの送風機の動作を変えることで第１の制御信号７６に応答し、プロセッサ７３に決められたように、燃料電池モジュール１００の陰極への酸素の流量を減少または増大する。
【００５０】
さらに幾つかの実施形態では、電流制限器によって課せられた上限電流レベルｉ’FCを変更するために第２の制御信号７８を使用する。プロセッサ７３によって決められたように出力電流ｉFCが増大すると、増大した出力電流ｉFCが第１の電気ノードＡに到達できるように上限電流レベルｉ’FCも調整する必要があるかもしれない。このノードＡでは、（ｉFC＞ｉLOADならば）余分の電流を必要に応じてウルトラキャパシタパック９０および／または負荷１１５に回すことができる。
【００５１】
引き続き図２を参照しつつ図６を参照すると、負荷１１５からの出力電流需要ｉLOADの急激な変化に対する、本発明の１態様に係る第１の燃料電池システムの例示的な過渡的電流応答のグラフが示されている。上記のように、ウルトラキャパシタパック９０は、電流需要ｉLOADの急激な増大に対する迅速な応答のために主に利用される。ウルトラキャパシタパック９０の総容量は、適応電流コントローラ７０が燃料電池モジュール１００と共に燃料電池モジュール１００によって供給される出力電流ｉFCを制御可能に増やせるように、十分に長い時間にわたって電流バーストを施せる程度に十分な量が提供されるのが好ましい。即ち、適当なサイズのウルトラキャパシタパック９０によって、新しく増やされた電流需要ｉLOADを満たすためにより大きな出力電流ｉFCを供給する目的で、燃料電池モジュール１００が適応電流コントローラ７０と共に反応物質の流量を増やす時間が提供される。
【００５２】
これとは対照的に、ウルトラキャパシタなしで燃料電池モジュールを使用すると、燃料電池モジュールは電流需要ｉLOADに関する情報を収集できなければならず、需要の増大が生じる前にこれを予測することを試みなければならない。実際に予測を行うことができれば、燃料電池モジュールは需要の増大に先立って反応物質の流量を増やすことができる。こういったことが起こった場合、燃料電池モジュールはどの程度の追加電流を安全に引き出すことができるかを示すフィードバック信号を生成する。しかしながら反応物質の流量の増大から追加の電流が利用できる時までに遅延が生じる。これは、システム全体が負荷からの電流需要のスパイクを潜在的に損ないやすいことを意味する。
【００５３】
燃料電池モジュール１００は電流制限器７１によって保護され、電流需要ｉLOADの急激な変化に答えるためにウルトラキャパシタパック９０が設けられているので、適応電流制御装置を含む第１の燃料電池システムは、電流需要ｉLOADのスパイクを潜在的に損ないやすくはない。したがって、システム全体の制御装置が電流需要ｉLOADの変化を予測し、かつ／または複雑なデータ転送ハンドシェーキングを処理する必要がないため、第１の燃料電池システムを種々の用途（例えば、車両への配置）に実質的により簡単に統合することができる。
【００５４】
即ち、本発明の幾つかの実施形態に係る燃料電池システムは、ある用途（例えば、車両用の動力装置としての使用）に対して比較的複雑度の低いインタフェースを有する。燃料電池モジュールを電流不足とさせずに所望の出力電流を供給するために反応物質の流量を適切に調整できるようにするためにその用途との複雑なハンドシェーキングを必要とする他の燃料電池システムとは異なり、本発明の幾つかの実施形態に係る燃料電池システムには複雑なシステムコントローラを必要としないものもある。その結果、本発明の幾つかの実施形態に係る燃料電池システムは、全くの負荷追従状態に近い形で作動できる。
【００５５】
適応電流制御装置７０は、第１の燃料電池システムを最初にオンしたとき（即ち、起動したとき）やウルトラキャパシタパック９０の再充電が必要なときにも有用である。第１の燃料電池システムが電力を生成すべく作動をしていなければ、ウルトラキャパシタパック９０はほぼ完全に放電されるであろう。したがって、第１の燃料電池システムをオンした時、電圧の変化（ｄＶ／ｄＴ）が非常に高い可能性があり、このことによってウルトラキャパシタパック９０に非常に大きな電流が発生する。電流制限がなければ、ウルトラキャパシタパック９０によって燃料電池モジュール１００から引き出される電流の量は燃料電池モジュール１００の容量を超えてしまい、燃料電池モジュール１００のバランスオブプラントシステムに含まれる安全制御サブシステムによって緊急停止が起動されるかもしれない。
【００５６】
この理由は、以下の式で説明するように、電圧の変化を受けたときのキャパシタの電流と電圧の特徴に起因する。
Ｑ＝ＣＶ  (３)
Ｉ＝ＣｄＶ／ｄＴ  (４)
Ｅ＝＿ＣＶ2  (５)
【００５７】
上記の式において、Ｑはキャパシタ電荷（クーロン）を示し、Ｃは静電容量（ファラド）で、Ｖはキャパシタにかかる電圧（ボルト）で、Ｅはキャパシタに蓄積されるエネルギーに対応し、Ｉは電圧が時間と共に変化した（ｄＶ／ｄＴ）ときにキャパシタを流れる電流である。燃料電池モジュールと共に使用するウルトラキャパシタは、典型的に、過渡的応答時に高電流を出すようにサイズが決められる。そして例えば、２０Ｆのウルトラキャパシタパックにおける１０Ｖ／ｓの変化によって、燃料電池モジュールから２００Ａの電流を引き出すことができる。典型的な燃料電池モジュールは動作の起動段階でこのように大きな電流を供給することはできないため、電流制限方式を使用する必要性が生じる。この課題に対処するために、本発明の幾つかの実施形態では、適応電流コントローラ７０はウルトラキャパシタパック９０にかかる電圧を制御可能にかつ徐々に増大させることで、燃料電池モジュール１００から引き出される電流を制限する。そのために、適応電流コントローラ７０内のプロセッサ７３は上述のように作動する。ウルトラキャパシタパック９０が充電されると、ウルトラキャパシタパックにかかる電圧は、定常状態動作時の燃料電池モジュール１００にかかる電圧に通常したがう。
【００５８】
図３は、本発明の１実施形態に係る適応電流制御装置を有する第２の燃料電池システムの概略図である。図３に示す第２の燃料電池システムは図２に示す第１の燃料電池システムと類似しているため、互いに共通する要素は同じ参照番号を使用して指定する。簡潔にするために、図２の説明を図３に対して繰り返さない。さらに、図２を参照して説明した特徴以外に、図３に示す第２の燃料電池システムは、電流制限器７１のための非常に特有な構成と接触器２０７ａ、ｂを含む。
【００５９】
図３に示すように、電流制限器７１は、電流制限能動素子の非常に具体的な例である電流制限電力トランジスタ２００を含む。種々の他の実施形態では、電流制限能動素子は少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を含み、かつ／または例えばＤＣモータコントローラなどの集積ユニット内にパッケージすることができる。電流制限電力トランジスタ２００は、プロセッサ７３によって与えられる第２の制御信号７８によって、上述のように制御される。
【００６０】
電流制限器７１は、第１および第２のダイオード２０１、２０３とインダクタ２０５も含む。第１のダイオード２０１は、電流制限電力トランジスタ２００にかかる逆電圧を制限する役目を果たす。第２のダイオード２０３は、電流制限電力トランジスタ２００とウルトラキャパシタパック９０の端との間に、インダクタ２０５と直列に配置される。第２のダイオード２０３は燃料電池モデル１００への逆電流を防ぐために利用され、インダクタ２０５は電流リップルを制限する役目を果たす。
【００６１】
接触器２０７ａ、ｂは、負荷１１５を第２の燃料電池システムの残りの要素と選択的に接続したり接続を解除したりする役目を果たす。こういったことをすることで、接触器２０７ａ、ｂは、起動時の電流需要のスパイクを回避する単純な方法を可能にする。起動の際、接触器２０７ａ、ｂは開いており、電流は反応物質の流量を入念に調整することで制限される。ウルトラキャパシタパック９０にかかる所望の開路電圧に到達すると、接触器２０７ａ、ｂは閉じて負荷を燃料電池システムの残りの要素に接続することができる。
【００６２】
図４は、本発明の１実施形態に係る適応電流制御装置を有する第３の燃料電池システムの概略図である。図４に示す第３の燃料電池システムは図２に示す第１の燃料電池システムと類似しているため、互いに共通する要素は同じ参照番号を使用して指定する。簡潔にするために、図２の説明を図４に対して繰り返さない。さらに、図２を参照して説明した特徴以外に、図４に示す第３の燃料電池システムは電流制限器７１のための非常に特有な構成を含む。
【００６３】
図４に示す電流制限器７１は、燃料電池モジュール１００を第１の電気ノードＡに接続するために選択的に使用される２本の並列な経路を含む。第１の経路は、ダイオード８３と直列の電流制限抵抗器８３を含む。幾つかの実施形態では、電流制限抵抗器８３とダイオード８５の値は両方とも一定である。さらに、および／またはあるいは、電流制限抵抗器８３とダイオード８５の片方または両方が調整可能である。こういった実施形態では、電流制限抵抗器とダイオード８５の片方または両方を調整するのに第２の制御信号７８を使用することもできる。第２の経路は、開いた状態と閉じた状態との間で切り替え可能な接触器８４を含む。幾つかの実施形態では、接触器８４を作動させるために第２の制御信号７８を利用する。
【００６４】
定常状態動作時、接触器８４は閉じて第１の電気ノードＡまでの間で燃料電池モジュール１００を短絡させることで、電流制限抵抗器８３とダイオード８５にわたって生じ得る電気損失を減らす。プロセッサ７３が（電流検出装置７７から出力された測定値によって）電流需要ｉLOADが変化したことを検出すると、第２の制御信号７８を変更して接触器８４を開き、電流制限抵抗器８３とダイオード８５を通るように出力電流ｉFCの経路を決め直すことで燃料電池モジュール１００を保護する。
【００６５】
この構造のさらに別の変形例も可能である。さらに、および／またはあるいは、電流制限能動素子（例えば、調整可能なダイオード、トランジスタなど）を電流制限抵抗器８３やダイオード８５と共に第１の経路に配置することもできるし、電流制限抵抗器８３やダイオード８５の代わりに配置することもできる。
【００６６】
接触器８４を使用して燃料電池モジュール１００とウルトラキャパシタパック９０を短絡すると、燃料電池モジュール１００の電圧範囲に適合するシステム電圧範囲を課すことにより過負荷機能を制限する。ウルトラキャパシタ電圧は蓄積可能なエネルギー量（上記の式を参照のこと）に直接関係するため、ウルトラキャパシタにかかる電圧範囲を制限することでピークエネルギー供給機能、ひいては電力供給機能も制限される。
【００６７】
図５は、本発明の１実施形態に係る適応電流制御装置を有する第４の燃料電池システムの概略図である。図５に示す第４の燃料電池システムは、図２に示す第１の燃料電池システムの拡張版であるため、互いに共通する要素は同じ参照番号を使用して指定する。簡潔にするために、図２の説明を図５に対して繰り返さない。
【００６８】
図２を参照して説明した特徴以外に、図４に示す第４の燃料電池システムは、複数の燃料電池モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃを含み、これに対応する数の電流制限器７１ａ、７１ｂ、７１ｃが燃料電池モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃにそれぞれ接続する。プロセッサ７３は第１の制御信号７６ａ、７６ｂ、７６ｃのセットをそれぞれ燃料電池モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃに送り、第２の制御信号７８ａ、７８ｂ、７８ｃのセットをそれぞれ電流制限器７１ａ、７１ｂ、７１ｃに送る。燃料電池モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃのそれぞれが電流制限器７１ａ、７１ｂ、７１ｃのそれぞれに接続するため、プロセッサは燃料電池モジュールと電流制限器の各ペアを上述のように作動させることができる。
【００６９】
電流制限器７１ａ、７１ｂ、７１ｃの出力は、加算ノード（ＳＵＭ）６０によって合計される。幾つかの実施形態では、ＳＵＭ６０はプロセッサ７３によって制御されて、燃料電池モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃからの電流の適当な組み合わせを、負荷（図示せず）と固定してまたは選択的に接続する第１の電気ノードＡへと供給する。他の実施形態では、ＳＵＭ６０はシステムコントローラ（図示せず）またはシステムコントローラとプロセッサ７３との組み合わせによって制御される。
【００７０】
さらに、動作においては、異なる量の電流を供給するように、かつ／または電流を全く供給しないように燃料電池モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃそれぞれを作動させることができる。即ち、燃料電池モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃの１つまたはそれより多くが、他の燃料電池モジュールが故障した場合のホットスタンバイの役目を果たすアイドルモードにある。このモードでは、プロセス流体は循環し、燃料電池モジュールを使用温度で維持するために加湿や加熱／冷却を利用する。この種の構造は、電源を遮断できないシナリオおよび／または燃料電池モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃの１つだけでは供給できない電流を負荷が要求するシナリオでは有利である。この構造は、２つまたはそれより多くの燃料電池モジュールをそれぞれのピーク効率モードで並列に使用する負荷バランシングを提供するために使用することもできる。したがって、燃料電池モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃの１つをマスタコントローラ（図示せず）によって制御し、所望の出力に対する反応物質の供給を効率的に利用することができる。
【００７１】
別の動作モードでは、燃料電池モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃの１つ、２つまたは全てを完全にシャットダウンして、典型的に効率が最低のアイドリングを回避することができる。さらに図７を参照すると、本発明の１態様に係る燃料電池システムの効率対出力電流の一例を表すグラフが示されている。全体的な効率を向上させるために、燃料電池モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃの１つの出力電流が一定の閾値Ａよりも下がった場合にそのモジュールをシャットダウンする。この時点でその燃料電池モジュールはアイドリング状態となり、ウルトラキャパシタパック９０と他の燃料電池モジュールが現在の電流需要ｉLOADを満たすことができる。ウルトラキャパシタパック９０の電圧が下限閾値よりも下がり、かつ／または他の作動中の燃料電池モジュールが電流需要ｉLOADを満たすことができなくなると、オフの燃料電池モジュールを再びオンにし、電流制限器７１ａ、７１ｂ、７１ｃのうちの対応する１つが、対応する電流上限を、その燃料電池モジュールのピーク効率に対応する値Ｂに設定する。電流需要ｉLOADがＢよりも低いと、余分な電流はウルトラキャパシタパック９０に吸収されるため、ウルトラキャパシタパック９０が再充電される。ウルトラキャパシタパック９０が引き出す電流が少なくなると、出力電流は再びＡに到達するまで下がり、燃料電池モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃの１つが再びオフになる。このシナリオは、図７に示す左矢印Ｌに対応する。その一方で電流需要ｉLOADがＢよりも高くなると、燃料電池は、燃料電池モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃの１つの出力電流の限界を表す第３の電流値Ｃまで、負荷電流に追従しようとする。このシナリオは、図７に示す右矢印Ｒに対応する。オフになっている燃料電池モジュールを再起動するのに十分な時間を保証できるように、限界Ａ、Ｂ、Ｃの選択や、こういった限界に対してウルトラキャパシタパック９０のサイズを決めることに注意を払う必要がある。
【００７２】
図８は、本発明の１態様に係る適応電流制御の第１の方法を示すフローチャートである。具体的にいうと、図８は、電流需要（例えば、ｉLOAD）の急激な変化に対する過渡的応答の際に燃料電池モジュールから引き出される電流（例えば、出力電流ｉFC）を制御すべく、本発明の１態様に係る燃料電池システムの適応電流制御機能を管理するプロセッサ（例えば、プロセッサ７３）がしたがう幾つかの例示的なステップを示す。
【００７３】
ステップ８−１からスタートし、（燃料電池モジュールの）出力電流ｉFCと電流需要ｉLOADを測定する検出装置がポーリングされる。ステップ８−１では、出力電流ｉFCまたは電流需要ｉLOADが変化したか否かを判定する。この２つの電流のどちらも変化していないならば（ステップ８−２のノー経路）、ステップ８−１を繰り返し、（燃料電池モジュールの）出力電流ｉFCと電流需要ｉLOADを測定する検出装置を再びポーリングして最新の測定値を受信する。幾つかの実施形態では、ポーリング時間同士の間に強制遅延が存在する。その一方で、２つの電流ｉFCとｉLOADの片方が変化したならば（ステップ８−２のイエス経路）、ステップ８−３で、ステップ８−２で検出した変化にしたがうべく反応物質の流量を増やすように、燃料電池モジュールに信号を送る。
【００７４】
ステップ８−３に続いて、電流需要ｉLOADが電流制限器によって燃料電池モジュールに与えられた現在の上限電流レベルｉ’FCよりも大きいか否かを判定する。電流需要ｉLOADが現在の上限電流レベルｉ’FCよりも大きくないならば（ステップ８−４のノー経路）、ステップ８−１を繰り返し、（燃料電池モジュールの）出力電流ｉFCと電流需要ｉLOADを測定する検出装置を再びポーリングして最新の測定値を受信する。その一方で、電流需要ｉLOADが現在の上限電流レベルｉ’FCよりも大きいならば（ステップ８−４のイエス経路）、上限電流レベルｉ’FCの値を大きくするように電流制限器に信号を送る。幾つかの実施形態では増加の値は所定量であり、他の実施形態では、上限電流レベルｉ’FCを増やすたびに増加の量をさらに決定する。逆に、減少する電流需要ｉLOADに応じて上限電流レベルｉ’FCを下げてもよい。
【００７５】
さらに、および／またはあるいは、（燃料電池モジュールの）出力電流ｉFCまたは電圧をそれぞれの下限値と上限値（即ち、下レベルと上レベル）との間で管理し、ウルトラキャパシタパックに蓄積された電荷をさらに管理することができる。
【００７６】
図９は、本発明の１態様に係る適応電流制御の第２の方法を示すフローチャートである。具体的にいうと、図９は、燃料電池モジュールのアイドリングを減らすべく本発明の１態様に係る燃料電池システムの適応電流制御機能を管理するプロセッサ（例えば、プロセッサ７３）がしたがう、幾つかの例示的なステップを示す。燃料電池システムをこのように管理することで、（このシステムに含まれる）燃料電池モジュールは、その出力電圧を一定の予め設定された動作範囲内に維持しつつ、より頻繁にそれぞれのピーク効率範囲で作動することができる。他のエネルギー変換装置と同様に、燃料電池モジュールは非線形の効率対電力特徴を呈する。典型的には、最大効率は２５〜４０％の総負荷範囲で生じる。これは、より高い電力レベルでは、燃料電池スタックは典型的にあまり効率よく作動せず、より低い電力レベルでは、正味電力出力がバランスオブプラントシステムに含まれるサポートシステムを稼動するのに必要な電力に比べて少ないためである。
【００７７】
ステップ９−１からスタートし、ウルトラキャパシタパックの電圧および／または電荷を、電圧および／または電荷を測定するように接続された検出装置をポーリングすることで、測定する。ステップ９−２では、電圧および／または電荷がある下限より低いか否かを判定する。電圧および／または電荷が下限よりも低くなければ（ステップ９−２のノー経路）、ステップ９−１を繰り返し電圧および／または電荷を再度測定する。幾つかの実施形態では、ポーリング時間同士の間に強制遅延が存在する。その一方で、電圧および／または電荷が下限よりも低いならば（ステップ９−２のイエス経路）、ステップ９−３で、ウルトラキャパシタパックを再充電し、かつ／または負荷の電流需要ｉLOADにしたがうべくモジュールをオンにし、かつ／または反応物質の流量を増やすように、燃料電池モジュールに信号を送る。
【００７８】
ステップ９−３に続いてステップ９−４では、出力電流ｉFCを測定するために利用する検出回路をポーリングすることで、燃料電池モジュールの出力電流ｉFCを監視する。ステップ９−５では、（図７を参照して上述したように）出力電流ｉFCが下限よりも低いか否かを判定する。出力電流ｉFCが下限よりも低くなければ（ステップ９−５のノー経路）、ステップ９−４を繰り返して出力電流ｉFCの最新の測定値を受信する。その一方で出力電流ｉFCが下限よりも低ければ（ステップ９−５のイエス経路）、ステップ９−６で燃料電池モジュールをオフにする（即ち、電源を切る）ように信号を送る。幾つかの実施形態では、ウルトラキャパシタパックの再充電に必要であると予測される電流引き出し量と予測される負荷による電流需要ｉLOADの平均とに関連して、出力電流ｉFCの下限を設定する。
【００７９】
上記の説明は例示の実施形態を提供しているが、本発明は、添付の特許請求の範囲の公正な意味や範囲から逸脱することなく、修正や変更を受け入れる余地があることが理解されるであろう。したがって、説明されているものは、本発明の実施形態の態様の用途の単なる例示にすぎない。本発明の多数の変更や変形例が、上述の教示に照らして可能である。したがって、添付の特許請求の範囲の範囲内で、本明細書中に具体的に説明した以外にも本発明を実施できることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】燃料電池モジュールの簡略化した概略図である。
【図２】本発明の１実施形態に係る適応電流制御装置を有する第１の燃料電池システムの概略図である。
【図３】本発明の１実施形態に係る適応電流制御装置を有する第２の燃料電池システムの概略図である。
【図４】本発明の１実施形態に係る適応電流制御装置を有する第３の燃料電池システムの概略図である。
【図５】本発明の１実施形態に係る適応電流制御装置を有する第４の燃料電池システムの概略図である。
【図６】負荷からの出力電流需要の急激な変化に対する、本発明の１態様に係る燃料電池システムの例示的な過渡的電流応答のグラフ表示である。
【図７】本発明の１態様に係る燃料電池システムの効率対出力電流の一例のグラフ表示である。
【図８】本発明の１態様に係る適応電流制御の第１の方法を示すフローチャートである。
【図９】本発明の１態様に係る適応電流制御の第２の方法を示すフローチャートである。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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