(57)【要約】  積層体起動時に、積層体の内部温度が積層体内の燃料電池を損傷し得る温度より上昇する前に冷却流体フローを開始させるために、燃料電池積層体の内部温度を決定するシステム及び方法。システム及び方法は、周囲温度センサと積層体内の冷却流体マニホルドでのセンサのどちらかから初期温度を求めるステップと、積層体の電圧及び積層体からの電流を測定するステップと、これらの値から積層体の温度を求めるよう積層体からの廃熱を求めるステップを含む。起動時に積層体のカソード側へ水素が送られる場合は、システム及び方法はまた、水素の流量を決定するステップを含む。
2008536288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
システム起動時に燃料電池システムでの冷却液ポンプを始動させる時期を決定する方法であって、前記燃料電池システムは燃料電池積層体を含み、前記燃料電池積層体は燃料電池の積層体を含む方法において、
前記燃料電池積層体の開始温度を決定するステップと、
前記燃料電池積層体の理論電圧を計算するステップと、
前記燃料電池積層体での前記燃料電池の平均セル電圧を計算するステップと、
前記燃料電池積層体での前記燃料電池の平均電流密度を計算するステップと、
前記燃料電池での局所的不均一を補償するように、前記計算された電流密度をスケーリングするステップと、
所定の時間間隔にわたる前記燃料電池積層体の元の発熱率を計算するステップと、
制御体積要素からの熱損失を含めるように補正した発熱率を得るために、前記開始温度に基づいて前記元の発熱率をスケーリングするステップと、
温度計算に前記補正された発熱率を用いるか、それとも前記元の発熱率を用いるかを、前記電流密度に基づいて決定するステップと、
前記時間間隔にわたる前記決定された発熱率に基づいて、前記制御要素でのエネルギーを計算するステップと、
前記制御要素での前記エネルギーに基づいて、前記制御要素の温度上昇を計算するステップと、
前記制御要素の前記温度上昇に基づいて、前記制御要素の新しい温度を計算するステップと、
前記新しい温度が所定の温度より高い場合は、前記冷却液ポンプを始動させるステップと、
前記新しい温度が前記所定の温度より低い場合は、前記新しい温度を計算するプロセスを繰り返すように、前記新しい温度を前記開始温度として用いるステップと、
を備える方法。
【請求項２】
前記燃料電池積層体のカソード側へ水素抽気が供給されているかどうかを判定するステップと、前記カソード側への前記水素の流量に基づいて熱入力を計算するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記決定された発熱率に基づいて前記制御要素でのエネルギーを計算するステップが、前記決定された発熱率に前記熱入力を加算するステップと、次いで、加算結果に前記所定の時間間隔を乗算するステップとを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料電池積層体の開始温度を決定するステップが、前記積層体での冷却流体マニホルドでの温度センサからの検出温度、又は周囲温度センサからの検出温度を用いるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記燃料電池積層体の理論電圧を計算するステップが、前記記憶された温度が所定の温度より高く、且つ前記燃料電池積層体からの生成物が水蒸気である場合は低発熱量値を用い、前記開始温度が前記所定の温度より低く、且つ前記燃料電池積層体からの生成物が液体水である場合は高発熱量値を用いて、前記燃料電池積層体の理論電圧を計算するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記計算した電流密度をスケーリングするステップが、前記電流密度が所定の値より低い場合は前記電流密度をスケーリングし、前記電流密度が前記所定の値より高い場合は前記計算された電流密度をスケーリングしないステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
所定の時間間隔にわたる前記燃料電池積層体の元の発熱率を計算するステップが、前記理論電圧から前記平均電圧を減算するステップと、次いで、前記燃料電池の前記電流密度及び有効面積に、前記減算した値を乗算するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
制御体積要素からの熱損失を含めるように補正された発熱率を得るよう前記元の発熱率をスケーリングするステップが、前記開始温度が第１の所定の温度より高いが第２の所定の温度より低い場合は、前記元の発熱率に第１の所定の値を乗算するステップと、前記開始温度が前記第２の所定の温度より高い場合は、前記元の発熱率に第２の所定の値を乗算するステップと、前記開始温度が前記第１の所定の温度より低い場合は、前記元の発熱率に１を乗算するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記温度計算のために前記補正された発熱率を用いるか、前記元の発熱率を用いるかを決定するステップが、前記平均電流密度が所定の電流密度より低い場合は前記補正された発熱率を用いるステップと、前記平均電流密度が前記所定の電流密度より高い場合は前記元の発熱率を用いるステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記制御要素での前記エネルギーに基づいて前記制御要素の温度上昇を計算するステップが、前記制御要素での前記エネルギーを、前記制御要素の質量と前記制御要素の比熱との積で除算するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記燃料電池積層体の理論電圧を計算する前に、前記燃料電池積層体の所定の開回路電圧が達成されたかどうかを決定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記制御体積要素が、前記積層体内のＭＥＡ、拡散媒体及びバイポーラ・プレートの一部分である、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
燃料電池システム起動時に燃料電池システム内の冷却液ポンプを始動させる時期を決定する制御システムであって、前記燃料電池システムは燃料電池積層体を含み、前記燃料電池積層体は燃料電池の積層体を含む制御システムにおいて、
前記燃料電池積層体の開始温度を決定する手段と、
前記燃料電池積層体の理論電圧を計算する手段と、
前記燃料電池積層体での前記燃料電池の平均セル電圧を計算する手段と、
前記燃料電池積層体での前記燃料電池の平均電流密度を計算する手段と、
前記燃料電池での局所的不均一を補償するように、前記計算された電流密度をスケーリングする手段と、
所定の時間間隔にわたる前記燃料電池積層体の元の発熱率を計算する手段と、
制御体積要素からの熱損失を含めるように補正された発熱率を得るために、前記開始温度に基づいて前記元の発熱率をスケーリングする手段と、
温度計算に前記補正された発熱率を用いるか、それとも前記元の発熱率を用いるかを、前記電流密度に基づいて決定する手段と、
前記時間間隔にわたる前記決定された発熱率に基づいて、前記制御要素でのエネルギーを計算する手段と、
前記制御要素での前記エネルギーに基づいて、前記制御要素の温度上昇を計算する手段と、
前記制御要素の前記温度上昇に基づいて、前記制御要素の新しい温度を計算する手段と、
前記新しい温度が所定の温度より高い場合に前記冷却液ポンプを始動させる手段と、
を備え、前記新しい温度が前記所定の温度より低い場合に前記新しい温度を計算するプロセスを繰り返すよう、前記新しい温度が前記開始温度として用いられる制御システム。
【請求項１４】
前記燃料電池積層体のカソード側へ水素抽気が供給されているかどうかを決定する手段と、前記カソード側への前記水素の流量に基づいて熱入力を計算する手段とをさらに含む、請求項１３に記載の制御システム。
【請求項１５】
前記決定された発熱率に基づいて前記制御要素でのエネルギーを計算する前記手段が、前記決定された発熱率に前記熱入力を加算する手段と、次いで、加算結果に前記所定の時間間隔を乗算する手段とを含む、請求項１４に記載の制御システム。
【請求項１６】
前記燃料電池積層体の開始温度を決定する前記手段が、冷却流体マニホルドでの温度センサからの検出温度、又は周囲温度センサからの検出温度を用いる手段を含む、請求項１３に記載の制御システム。
【請求項１７】
前記燃料電池積層体の理論電圧を計算する前記手段が、前記記憶された温度が所定の温度より高く、且つ前記燃料電池積層体からの生成物が水蒸気である場合は低発熱量値を用い、前記開始温度が前記所定の温度より低く、且つ前記燃料電池積層体からの生成物が液体水である場合は高発熱量値を用いて、前記燃料電池積層体の理論電圧を計算する手段を含む、請求項１３に記載の制御システム。
【請求項１８】
前記計算した電流密度をスケーリングする前記手段が、前記電流密度が所定の値より低い場合は前記電流密度をスケーリングし、前記電流密度が前記所定の値より高い場合は前記計算された電流密度をスケーリングしない手段を含む、請求項１３に記載の制御システム。
【請求項１９】
所定の時間間隔にわたる前記燃料電池積層体の元の発熱率を計算する前記手段が、前記理論電圧から前記平均電圧を減算し、次いで、前記燃料電池の前記電流密度及び有効面積に、前記減算した値を乗算する手段を含む、請求項１３に記載の制御システム。
【請求項２０】
制御体積要素からの熱損失を含めるように補正された発熱率を得るために前記元の発熱率をスケーリングする前記手段が、前記開始温度が第１の所定の温度より高いが第２の所定の温度より低い場合は、前記元の発熱率に第１の所定の値を乗算し、前記開始温度が前記第２の所定の温度より高い場合は、前記元の発熱率に第２の所定の値を乗算し、前記開始温度が前記第１の所定の温度より低い場合は、前記元の発熱率に１を乗算する手段を含む、請求項１３に記載の制御システム。
【請求項２１】
前記補正された発熱率を用いるか、前記元の発熱率を用いるかを決定する前記手段が、前記平均電流密度が所定の電流密度より低い場合は前記補正された発熱率を用い、前記平均電流密度が前記所定の電流密度より高い場合は前記元の発熱率を用いる手段を含む、請求項１３に記載の制御システム。
【請求項２２】
前記制御要素での前記エネルギーに基づいて前記制御要素の温度上昇を計算する前記手段が、前記制御要素での前記エネルギーを、前記制御要素の質量と前記制御要素の比熱との積で除算する手段を含む、請求項１３に記載の制御システム。
【請求項２３】
前記燃料電池積層体の理論電圧を計算する前に、前記燃料電池積層体の開回路電圧が達成されたかどうかを決定する手段をさらに含む、請求項１３に記載の制御システム。
【請求項２４】
前記制御体積要素が、前記積層体内のＭＥＡ、拡散媒体及びバイポーラ・プレートの一部分である、請求項１３に記載の制御システム。
【請求項２５】
燃料電池の積層体を含む燃料電池積層体であって、
前記燃料電池積層体の開始温度を検出し、温度信号を供給する温度センサと、
前記積層体の電圧を測定し、積層体電圧信号を供給する電圧センサと、
前記積層体の電流を測定し、積層体電流信号を供給する電流センサと、
前記燃料電池積層体を通して冷却流体を供給するポンプと、
低温積層体起動時に、前記燃料電池積層体を通して前記冷却流体を供給するために前記ポンプを始動させる時期を決定する電子制御モジュールであって、前記積層体での制御体積要素の温度を求めるために、前記温度信号、前記電圧信号及び前記電流信号を用いる電子制御モジュールと、
を備える燃料電池積層体。
【請求項２６】
起動時に前記燃料電池積層体のカソード側への水素フローを測定し、水素抽気信号を供給するフロー・センサをさらに備え、前記電子制御モジュールはまた、前記制御体積要素の温度を決定するために前記水素抽気信号を用いる、請求項２５に記載の燃料電池システム。
【請求項２７】
前記温度センサが、冷却流体マニホルド温度センサ及び周囲温度センサからなる群から選択される、請求項２５に記載の燃料電池システム。
【請求項２８】
前記電子制御モジュールが、前記積層体が生成物の液体水を発生しているか生成物の水蒸気を発生しているかに基づいて前記燃料電池積層体の理論電圧を計算し、前記燃料電池積層体での前記燃料電池の平均セル電圧を計算し、前記燃料電池積層体での前記燃料電池の平均電流密度を計算し、前記制御要素の温度を決定するために、前記燃料電池での局所的不均一を補償するよう、前記計算された電流密度をスケーリングする、請求項２５に記載の燃料電池システム。
【請求項２９】
前記電子制御モジュールが、所定の時間間隔にわたる前記燃料電池積層体の元の発熱率を計算し、前記制御要素からの熱損失を含めるように補正された発熱率を得るために、前記温度信号に基づいて前記元の発熱率をスケーリングし、温度計算に前記補正された発熱率を用いるか、それとも前記元の発熱率を用いるかを、前記燃料電池の前記電流密度に基づいて決定する、請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３０】
前記電子制御モジュールが、前記時間間隔にわたる前記決定された発熱率に基づいて前記制御要素でのエネルギーを計算し、前記制御要素での前記エネルギーに基づいて前記制御要素の温度上昇を計算し、前記温度上昇に基づいて前記制御要素の温度を計算する、請求項２９に記載の燃料電池システム。
【請求項３１】
前記電子制御モジュールが、前記記憶された温度が所定の温度より高く、且つ生成物が水蒸気である場合は低発熱量値を用い、前記開始温度が前記所定の温度より低く、且つ生成物が液体水である場合は高発熱量値を用いて、前記燃料電池積層体の前記理論電圧を計算する、請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３２】
前記電子制御モジュールが、前記電流密度が所定の値より低い場合は前記計算された電流密度をスケーリングし、前記電流密度が前記所定の値より高い場合は前記計算された平均電流密度をスケーリングしない、請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３３】
前記電子制御モジュールが、前記理論電圧から前記平均電圧を減算し、次いで、前記燃料電池の前記電流密度及び有効面積に、前記減算した値を乗算することによって、前記燃料電池積層体の前記元の発熱率を計算する、請求項２９に記載の燃料電池システム。
【請求項３４】
前記電子制御モジュールが、前記開始温度が第１の所定の温度より高いが第２の所定の温度より低い場合は、前記元の発熱率に第１の所定の値を乗算し、前記開始温度が前記第２の所定の温度より高い場合は、前記元の発熱率に第２の所定の値を乗算し、前記温度信号が前記第１の所定の温度より低い場合は、前記元の発熱率に１を乗算することにより、前記元の発熱率をスケーリングする、請求項２９に記載の燃料電池システム。
【請求項３５】
前記電子制御モジュールが、前記平均電流密度が所定の電流密度より低い場合は前記補正された発熱率を用い、前記平均電流密度が前記所定の電流密度より高い場合は前記元の発熱率を用いる、請求項３４に記載の燃料電池システム。
【請求項３６】
前記電子制御モジュールが、前記制御要素での前記エネルギーを、前記制御要素の質量と前記制御要素の比熱との積で除算することによって、前記制御要素の温度上昇を計算する、請求項３０に記載の燃料電池システム。
【請求項３７】
前記電子制御モジュールが、前記燃料電池積層体の前記理論電圧を計算する前に、前記燃料電池積層体の開回路電圧が達成されたかどうかを決定する、請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３８】
前記制御体積要素が、前記積層体内のＭＥＡ、拡散媒体及びバイポーラ・プレートの一部分である、請求項２５に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、低温起動時の燃料電池積層体への冷却液循環を制御する方法に関し、より詳細には、燃料電池が過剰温度によって損傷を受けるのを防止するために、システムが、低温起動時の適切な時点で燃料電池積層体を通して冷却流体を循環させる制御方式を用いる、燃料電池積層体を含む燃料電池システムに関する。
【０００２】
関連技術の説明
水素は低公害であり、燃料電池において効率的に電気を発生するために用いることができるので非常に好ましい燃料である。自動車産業は、車両の動力源としての水素燃料電池の開発に大きなリソースを投じている。このような車両は、内燃機関エンジンを使用する今日の車両より効率的であり、発生する排出物質が少ない。
【０００３】
水素燃料電池は、アノード及びカソードと、それらの間の電解質を含む電気化学デバイスである。アノードは水素ガスを受け取り、カソードは酸素又は空気を受け取る。水素ガスはアノードで解離されて自由なプロトンと電子を発生する。プロトンは電解質を通ってカソードへ透過する。プロトンはカソードで酸素及び電子と反応し、水を生成する。アノードからの電子は電解質を透過することができず、したがって電子は、カソードへ送られる前に負荷へ導かれて仕事を行う。この仕事は車両を動作させる働きをする。
【０００４】
固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は車両用によく使われる燃料電池である。一般にＰＥＭＦＣは、ペルフルオロスルホン酸膜などのプロトン伝導性固体高分子電解質膜を含む。通常、アノード及びカソードは、炭素粒子上に支持されイオノマと混合された、通常は白金（Ｐｔ）である微細に分割された触媒粒子を含む。触媒混合物は膜の両側に堆積される。アノード触媒混合物、カソード触媒混合物及び膜の組合せが、膜電極接合体（ＭＥＡ）を規定する。ＭＥＡの製造は比較的費用がかかり、効率的動作には一定の条件を要する。これらの条件には、適切な水管理、加湿及び温度制御、ならびに一酸化炭素（ＣＯ）などの触媒を害する成分の制御が含まれる。
【０００５】
典型提起には、所望の電力を発生させるために、燃料電池積層体には複数の燃料電池が組み合わされる。燃料電池積層体は、典型的には、圧縮機によって強制的に積層体を通される空気流である、カソード入力ガスを受け取る。酸素は積層体によってすべては消費されず、空気の一部は、積層体副生成物として水を含み得るカソード排気ガスとして出力される。燃料電池積層体はまた、積層体のアノード側へ流入するアノード水素入力ガスを受け取る。
【０００６】
燃料電池積層体は、積層体内のＭＥＡの間に配置された一連の流れ場プレート又はバイポーラ・プレートを含む。バイポーラ・プレートは、積層体内の隣接する燃料電池のためのアノード側とカソード側を含む。バイポーラ・プレートのアノード側には、アノード・ガスが各ＭＥＡのアノード側へ流れるのを可能にするアノード・ガス流路が設けられる。バイポーラ・プレートのカソード側には、カソード・ガスが各ＭＥＡのカソード側へ流れるのを可能にするカソード・ガス流路が設けられる。バイポーラ・プレートは、ステンレス鋼などの導電性材料から作製され、燃料電池によって発生された電気を１つのセルから次のセルへ及び積層体の外へ伝導する。
【０００７】
効率的な積層体動作及び耐久性を実現するには、燃料電池は最適な相対湿度及び温度で動作することが必要である。車両用燃料電池積層体の動作温度は典型的には６０〜８０℃である。最適温度より高い過剰な積層体温度は、燃料電池構成要素を損傷することがあり、燃料電池の寿命を縮める。また最適温度より低い積層体温度は、積層体の性能を低下させる。したがって、燃料電池システムは、燃料電池積層体の温度を制御するために、燃料電池積層体内の流路を通して冷却流体を導く熱的サブシステムを使用する。
【０００８】
車両始動時には、燃料電池積層体は、典型的には、特に低温度環境では、その最適動作温度よりずっと低い。積層体の性能を高めるように燃料電池積層体の温度をできるだけ速やかにその動作温度まで上昇させることが望ましく、それには１分以上かかり得る。燃料電池積層体が速やかにその動作温度に達するのを可能にするために、電気化学プロセスによって発生される廃熱の結果として積層体が急速に昇温できるように、起動後の一定期間は冷却流体は積層体を通して流されない。また、当該技術分野では、積層体を昇温するのに用いることができる燃焼反応を得るために水素を燃料電池のカソード側へ抽気するなど、積層体起動時に燃料電池積層体の温度をより速やかに上昇させるための様々な動作が知られている。さらに、積層体が十分に暖められる前に低温の冷却液が循環されると、積層体の性能は悪化し、低温の冷却液によって電池が故障し得る。
【０００９】
起動プロセス時にＭＥＡが過熱し、劣化を被るのを防止することが重要である。当該技術分野では、燃料電池起動時に適切な時点で冷却流体フローを開始するよう、積層体温度を求めるために燃料電池積層体のカソード側からのカソード排気の温度を測定することが知られている。典型的には、カソード出力温度が２５〜４０℃に達すると、積層体を通って冷却液フローを循環させるよう、冷却液ポンプが始動される。しかし、カソード排気温度がこの温度範囲内にあるときに、燃料電池内のＭＥＡのいくつかの部分の温度は１００℃を超え得ることが見出されている。ＭＥＡをこれらの高温に継続的及び反復的にさらすと、ＭＥＡ内のピンホールなど、材料の劣化及び耐久性不良を生じ得ると考えられる。
【００１０】
発明の概要
本発明の教示によれば、積層体の内部温度が積層体内の燃料電池を損傷し得る温度よりも上昇する前に冷却流体フローを開始するよう、低温積層体起動時に燃料電池積層体の内部温度を決定するシステム及び方法が開示される。このシステム及び方法は、周囲温度センサと積層体冷却流体マニホルド内のセンサのどちらかから初期積層体温度を決定するステップと、積層体の電圧を測定し、積層体からの電流を測定するステップと、これらの値及び積層体材料の比熱容量から積層体からの廃熱を決定して積層対の温度を決定するステップとを含む。起動時に積層体のカソード側へ水素が送られる場合は、システム及び方法は水素の流量を求めるステップをさらに含む。
【００１１】
一つの実施の形態においては、方法は、燃料電池積層体の開始温度を決定するステップと、低発熱量値又は高発熱量値を用いて燃料電池積層体の理論電圧を計算するステップと、燃料電池積層体での燃料電池の平均セル電圧を計算するステップと、燃料電池積層体での燃料電池の平均電流密度を計算するステップと、局所的不均一を補償するように、計算された電流密度をスケーリングするステップと、燃料電池積層体の発熱率を計算するステップと、制御体積要素からの熱損失を含めるために、計算された発熱率を温度に基づいてスケーリングするステップと、温度計算のために、スケーリングされた発熱率を用いるか又はスケーリングされない発熱率を用いるかを電流密度に基づいて決定するステップと、スケーリングされた又はスケーリングされない発熱率に基づいて、所定の時間間隔にわたって制御要素で発生されるエネルギーを計算するステップと、要素でのエネルギー及び要素の比熱に基づいて制御要素での温度上昇を計算するステップと、上昇した要素の温度に基づいて制御要素の新しい温度を計算するステップと、新しい温度が所定の温度よりも高い場合は冷却液ポンプを始動するステップとを含む。起動時に積層体のカソード側へ水素が送られる場合は、方法は、カソード側への水素の流量から熱入力を計算するステップと、時間間隔にわたる制御要素でのエネルギーを計算するよう発熱率及び熱入力を用いるステップをさらに含む。
【００１２】
本発明のさらなる利点及び特徴は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲を添付図面と併せ読めば明らかになるであろう。
実施の形態の詳細な説明
燃料電池システムの起動時に燃料電池積層体への冷却流体フローを開始するシステム及び方法を対象とする本発明の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、本発明或いはその応用例又は使用を限定するものでは全くない。
【００１３】
図１は、燃料電池積層体１２を含む燃料電池システム１０のブロック図である。水などの冷却流体は、ポンプ１６により、燃料電池積層体１２内の冷却液流路及び外部ライン１４を通して供給される。本発明によれば、以下に詳細に説明するように、電子制御モジュール（ＥＣＭ）１８は、低温車両始動時に、燃料電池積層体１２の計算した内部温度に基づいてポンプ１６の始動を制御する。ＥＣＭ１８は、低温起動時に冷却流体が積層体１２を通って流れていないとき、仮の制御体積要素を定義して制御体積の温度を計算することにより、積層体１２における最高温度を予測する。一つの実施の形態では、制御体積要素は、モデル化のために用いられる積層体１２における燃料電池の１つの代表のプレート、拡散媒体層及びＭＥＡの一部分である。
【００１４】
ＥＣＭ１８は、積層体１２内の冷却流体マニホルド内に配置された温度センサ２０及び／又は周囲温度センサ２２から温度信号を受け取る。ＥＣＭ１８はまた、積層体１２の電圧センサ２８から積層体電圧信号を受け取り、積層体１２の電流センサ４６から積層体電流信号を受け取る。一つの実施の形態では、起動時に積層体１２の温度をより急速に上昇させるための燃焼反応をもたらすように、積層体１２のカソード側へ水素を抽気することができる。ＥＣＭ１８はまた、積層体１２へのカソード入力ライン２６に配置された流量計２４又はパルス・インジェクタから水素抽気流量信号を受け取る。
【００１５】
図２ａ〜図２ｉは、本発明に係る、低温起動時に燃料電池積層体１２の内部温度を計算する演算を示すフローチャート図３０である。以下に示されるＥＣＭ１８によって用いられる様々な値は、最適性能のための実験及びシミュレーションに基づいて、特定の応用例に対して求められた値であることに留意されたい。当業者には理解されるように、他の応用例には他の値を用いることができる。
【００１６】
ＥＣＭ１８は、まず判定記号３２で、温度センサ２０又は２２からの温度信号に基づいて、低温起動手順が必要かどうかを判定する。一つの実施の形態では、周囲温度又はマニホルドでの冷却流体の温度が５℃より高ければ、低温起動手順は必要ない。判定記号３２で低温起動手順が不要な場合は、ボックス３４で、ＥＣＭ１８は直ちに燃料電池積層体１２を通して冷却流体をポンプ供給することにより通常起動動作を実行する。判定記号３２で本発明の低温起動手順が必要な場合は、ボックス３６で、ＥＣＭ１８は積層体１２へのアノード及びカソード反応物フローを開始する。次いでＥＣＭ１８は、すべてのセルが十分な電圧を発生するまで積層体１２に負荷をかけないように、判定記号３８で、積層体１２からの開回路電圧（ＯＣＶ）が達成されたかどうかを判定する。一つの実施の形態では、この開回路電圧は約７００ｍＶである。判定記号３８でＯＣＶが達成されていなかった場合は、ＥＣＭ１８は、判定記号３８で所望のＯＣＶが達成されるまで、ボックス４０で一定の所定の時間だけ待機する。判定記号３８でＯＣＶが達成された後、ボックス４２でＥＣＭ１８は、燃料電池積層体１２に負荷が印加されるのを許容する。次いでボックス４４で、ＥＣＭ１８はタイマを始動させ、開始温度を用いて積層体温度を計算するための制御モデルを開始する。
【００１７】
ボックス５４で、ＥＣＭ１８はループ時間間隔を設定する。この実施の形態では、ループ時間間隔は１秒に設定される。次いで判定記号５２で、ＥＣＭ１８は水素抽気が用いられているかどうかを判定する。水素抽気が用いられている場合は、ボックス５６でＥＣＭ１８は開始温度を記憶するが、開始温度は、最初は温度センサ２０又は周囲温度センサ２２によって提供され、又は以下の計算から計算した温度によって提供される。
【００１８】
次いでＥＣＭ１８は、低発熱量値（ＬＨＶ）と高発熱量値（ＨＨＶ）のどちらかを用いて、各セルの平均電圧としての燃料電池積層体１２の理論電圧を求める。積層体温度が所定の温度より低いときは、電気化学反応からの生成物は液体水となるので、ＨＨＶが用いられる。記憶した温度が所定の温度より高い場合は、電気化学反応からの生成物は水蒸気となるので、ＥＣＭ１８はＬＨＶを用いる。特に、判定記号５８で、ＥＣＭ１８は、記憶した温度が６０℃より高いか低いかを判定する。記憶した温度が６０℃より低い場合は、ＥＣＭ１８は、ボックス６０でＨＨＶを用いて理論電圧を計算し、ボックス６２で理論電圧を記憶する。一つの実施の形態では、ＨＨＶを用いた理論電圧は１．４７９９５＋（０．００００５×記憶した温度値）として計算される。しかし、記憶した温度が６０℃以上の場合は、ＥＣＭ１８は、ボックス６４でＬＨＶを用いて理論電圧を計算し、ボックス６２で理論電圧を記憶する。一つの実施の形態では、ＬＨＶを用いた理論電圧は、１．２５１９３＋（０．００００５×記憶した温度値）として計算される。
【００１９】
次いでボックス６６で、ＥＣＭ１８は、燃料電池積層体１２のカソード側に設けられた流量センサ２４からの水素の測定流量に基づいて、水素抽気から熱入力値を計算する。一つの実施の形態では、ＥＣＭ１８は、ワット（Ｗ）で表される熱入力を計算するのに以下の式を用いる。
【００２０】
【数１】
2008536288.tif 000003
【００２１】
ただし、流量は標準立方センチメートル毎分（ＳＣＣＭ）で表される。
次いでボックス６８で、ＥＣＭ１８は、電圧センサ２８からの測定された積層体電圧を積層体１２内のセル数で割った商として、平均セル電圧を計算する。次いでボックス７０で、ＥＣＭ１８は、電流センサ４６からの測定された積層体電流を各セルの有効面積で割った商として、燃料電池積層体１２の平均電流密度（ＣＤ）を計算する。
【００２２】
次いでＥＣＭ１８は、燃料電池での局所的不均一を補償するように、補正係数を用いて電流密度をスケーリングする。電流密度は０．６Ａ／ｃｍ２より大きい場合はセル全体にわたって比較的均一であるので、電流密度をスケーリング又は補正する必要はないことが実験によって決定されている。判定記号６２で、ＥＣＭ１８は平均電流密度が０．６Ａ／ｃｍ２より小さいかどうかを判定する。平均電流密度が０．６Ａ／ｃｍ２より小さい場合は、ＥＣＭ１８は、ボックス７４で電流密度にスケーリング係数１．７を乗じ、ボックス７６で、スケーリングされた電流密度を記憶する。判定記号７２で平均電流密度が０．６Ａ／ｃｍ２以上の場合は、ＥＣＭ１８は、ボックス７８で電流密度に１を乗じ（補正なし）、ボックス７６で、スケーリングされない電流密度を記憶する。
【００２３】
次いでボックス８０で、ＥＣＭ１８は、所定の時間間隔にわたる燃料電池積層体１２の発熱率値を計算する。一つの実施の形態では、ワットで表される発熱率値は
（理論電圧−燃料電池積層体１２の平均電圧）×燃料電池積層体１２のスケーリング
した電流密度×燃料電池積層体１２内の各セルの有効面積
として計算される。次いでボックス８２において、ＥＣＭ１８は、計算した発熱率値を記憶する。
【００２４】
次いでＥＣＭ１８は、制御体積要素からの熱損失を含めるよう、発熱率値をスケーリングする。高温では、制御要素によって発生された熱の約１０％だけが制御要素内に留まり、熱の９０％は制御要素から燃料電池の他の領域又はその環境へ失われる。特に、判定記号８４で、ＥＣＭ１８は、記憶された温度が２５℃より高いかどうかを判定する。判定記号８４で温度が２５℃より高くない場合は、ＥＣＭ１８は、発熱率値に１を乗じ（スケーリングなし）、ボックス８８でスケーリングされない発熱率値を記憶する。判定記号８４で温度が２５℃より高い場合は、次いで判定記号９０で、ＥＣＭ１８は温度が４５℃より高いかどうかを判定する。判定記号９０で温度が４５℃より高くない場合は、ＥＣＭ１８は、ボックス９２で発熱率値に０．５を乗じ、ボックス８８で、スケーリングされた発熱率値を記憶する。判定記号９０で温度が４５℃より高い場合は、ＥＣＭ１８は、ボックス９４で発熱率値に０．１０を乗じ（１０％）、ボックス８８で、スケーリングされた発熱率値を記憶する。
【００２５】
積層体１２からの熱損失があるのは低電流密度においてのみであると決定されている。高電流密度では、制御体積要素から及び積層体１２から熱を輸送するのに十分な時間がなく、したがって熱損失は大きくはない。したがって、平均電流密度が所定の値より大きい場合は、発熱率値は補正されない。しかし平均電流密度が所定の値より小さく、かつ温度が２５℃より高い場合は、発熱率値は熱損失を補償するように補正される。特に、判定記号９６で、ＥＣＭ１８は、平均電流密度が０．２５Ａ／ｃｍ２より小さいかどうかを判定する。判定記号９６で平均電流密度が０．２５Ａ／ｃｍ２より小さい場合は、ＥＣＭ１８は、ボックス８８で記憶されたスケーリング済みの発熱率値を用いて、ボックス９８で以下に説明する温度計算を実行し、ボックス１００で、補正された発熱率値を記憶する。判定記号９６で平均電流密度が０．２５Ａ／ｃｍ２以上の場合は、ＥＣＭ１８は、ボックス８２で記憶したスケーリングされない発熱率値を用いて、ボックス１０２で温度計算を実行し、ボックス１００で、スケーリングされない発熱率値を記憶する。
【００２６】
次いでＥＣＭ１８はボックス１０４で、ループ時間間隔にわたる制御体積要素でのエネルギーを計算する。一つの実施の形態では、この計算は、
［発熱率＋熱入力］×時間間隔＝［Ｊ］
によってジュール（Ｊ）を単位として与えられる。
【００２７】
次いでボックス１０６で、ＥＣＭ１８は制御体積要素でのこれまでの温度上昇を計算する。一つの実施の形態では、制御要素での温度上昇は、ループ時間間隔にわたる制御要素でのエネルギーを、制御要素の質量と制御要素の比熱容量との積で割った商（Ｅ／ＭＣｐ）によって決定される。
【００２８】
次いでボックス１０８で、ＥＣＭは、ボックス１０６で計算した温度上昇に、ボックス５６で記憶した温度を加算することにより、制御要素の新しい温度を計算する。ボックス５６で記憶した温度は、温度センサ２０又は２２からの開始温度、又はＥＣＭ１８がフローチャート図３０をループする際の前回に計算した新しい温度である。新しい温度は制御要素の計算された温度であり、積層体１２での最も高温の燃料電池を表す。新しい温度は、冷却液ポンプ１６を始動すべきかどうかを決定するのに用いられる。
【００２９】
次いで判定記号１１０で、ＥＣＭ１８は新しい温度が７０℃より高いかどうかを判定する。温度が７０℃以下の場合は、ＥＣＭ１８はボックス５４へ戻って、上述のステップにより制御体積要素の新しい温度を再計算する。しかし、制御要素の温度が７０℃より高い場合は、ＥＣＭ１８は、ボックス１１２で冷却液ポンプ１６を始動させ、ボックス１１４で起動後の通常の燃料電池システム動作に移る。一つの実施の形態では、ポンプ１６は、積層体１２に入る低温冷却流体の量を制限するようパルス動作させることができる。
【００３０】
判定記号５２でＥＣＭ１８が水素抽気は用いられていないと判定した場合は、ＥＣＭ１８は、水素抽気の場合に行ったのとほぼ同じやり方で、異なる値に基づいて制御体積要素の温度を計算するプロセスを実行する。特に、ボックス１１６で温度が記憶され、判定記号１１８及びボックス１２０〜１２４で理論電圧が計算されて記憶される。理論電圧を決定するために、水素抽気の場合に用いられたのと同じＨＨＶとＬＨＶが用いられる。このプロセスでは水素抽気がないので、ＥＣＭ１８はボックス６６での熱入力の計算は行わない。それぞれボックス１２６及び１２８で、平均セル電圧及び平均電流密度が計算される。次いで判定記号１３０及びボックス１３０〜１３６で、電流密度がスケーリングされる。水素抽気がない場合の電流密度のスケーリングに対しては、乗算される値は１．５２及び１．４４である。
【００３１】
次いで、それぞれボックス１３８及び１４０で発熱率値が計算されて記憶される。判定記号１４２及び１４８、ボックス１４４、１４６、１５０及び１５２で、水素抽気の場合と同じ補正値を用いて発熱率値がスケーリングされて記憶される。次いで判定記号１５４及びボックス１５６〜１６０で、ＥＣＭは、温度計算のために元の発熱率値を用いるか、スケーリングされた発熱率値を用いるかを決定する。次いでＥＣＭ１８は、ボックス１６２でループ時間間隔にわたる制御要素でのエネルギーを計算し、ボックス１６４で制御要素での温度上昇を計算し、ボックス１６６で新しい温度を計算する。次いで判定記号１６８で、ＥＣＭ１８は、制御要素での新しい温度が７０℃より高いかどうかを決定し、高くなければ、新しい温度を判定するためにボックス１１６へ戻る。温度が７０℃より高い場合は、ＥＣＭ１８は、ボックス１７０でポンプ１６を始動させ、ボックス１７２で通常の燃料電池システム動作に戻る。
【００３２】
以上の議論は、単に本発明の例示的な実施の形態を開示し説明するものである。当業者であれば容易に理解されるよう、このような議論から、並びに添付の図面及び特許請求の範囲から、添付の特許請求の範囲に定義される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な変更、修正及び変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係る、低温システム起動時に、いつ燃料電池積層体を通して冷却流体をポンピングするかを決定する技法を用いた燃料電池システムのブロック図である。
【図２ａ】図１に示される技法の動作を示すフローチャート図である。
【図２ｂ】図１に示される技法の動作を示すフローチャート図である。
【図２ｃ】図１に示される技法の動作を示すフローチャート図である。
【図２ｄ】図１に示される技法の動作を示すフローチャート図である。
【図２ｅ】図１に示される技法の動作を示すフローチャート図である。
【図２ｆ】図１に示される技法の動作を示すフローチャート図である。
【図２ｇ】図１に示される技法の動作を示すフローチャート図である。
【図２ｈ】図１に示される技法の動作を示すフローチャート図である。
【図２ｉ】図１に示される技法の動作を示すフローチャート図である。
【図１】
2008536288.tif 000004
【図２ａ】
2008536288.tif 000005
【図２ｂ】
2008536288.tif 000006
【図２ｃ】
2008536288.tif 000007
【図２ｄ】
2008536288.tif 000008
【図２ｅ】
2008536288.tif 000009
【図２ｆ】
2008536288.tif 000010
【図２ｇ】
2008536288.tif 000011
【図２ｈ】
2008536288.tif 000012
【図２ｉ】
2008536288.tif 000013
【国際調査報告】
2008536288.tif 000014