(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）各運転パラメータが第１の電力需要を満たす値を有する、複数の運転パラメータを含んだ第１の電力出力レベルで燃料電池を運転させるステップと、
ｂ）前記第１の電力需要と、第２の電力需要と、の間の変化を判定するステップと、
ｃ）前記複数の運転パラメータのうち少なくとも一つの第１の運転パラメータを、前記第１の電力出力レベルに対応する値に維持する一方で、前記複数の運転パラメータのうち少なくとも一つの第２の運転パラメータを、第２の電力需要を満たすように、第２の電力出力レベルに対応する値に変更させるステップと、
ｄ）前記第１の運転パラメータの、前記第２の電力出力レベルに対応する値への変更を、所定の基準を満たすまで遅らせるステップと、
を備え、
前記所定の基準が、時間および燃料電池の温度のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする、燃料電池の運転方法。
【請求項２】
前記第１の電力需要が、前記第２の電力需要よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項３】
前記第２の運転パラメータの変更が、燃料電池の圧力を低下させることを備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項４】
前記第１の運転パラメータが、反応物流れ、湿度、およびセルスタックアセンブリ電圧のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項５】
前記第１の運転パラメータを、前記第１の電力出力レベルと前記第２の電力出力レベルとの中間の電力出力レベルに対応する値に変更させることを備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項６】
前記第１の電力需要が、前記第２の電力需要よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項７】
前記第１の運転パラメータが、圧力であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項８】
前記ステップｃ）が、前記第１の電力需要が前記第２の電力需要よりも大きいとき、余剰電力をパワーシンクへと導くことを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項９】
前記第２の運転パラメータが、反応物流れ、湿度、およびセルスタックアセンブリ電圧のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１０】
セルスタックアセンブリの電圧をクリッピングし、
前記クリッピングの電圧値を温度に基づいて選択する、
ことを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１１】
前記温度が上昇するに従い、前記クリッピングの前記電圧値を低下させることを備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１２】
セルスタックアセンブリと、
コントローラと、
を備え、前記コントローラが、
各運転パラメータが第１の電力需要に対応する値を有する、複数の運転パラメータを含んだ第１の電力出力レベルで前記セルスタックアセンブリを運転させ、
前記第１の電力需要と、第２の電力需要と、の間の変化を判定し、
前記複数の運転パラメータのうち少なくとも一つの第１の運転パラメータを、前記第１の電力出力レベルに対応する値に維持する一方で、前記複数の運転パラメータのうち少なくとも一つの第２の運転パラメータを、第２の電力出力レベルに対応する値に変更し、
前記第１の運転パラメータの、前記第２の電力出力レベルに対応する値への変更を、所定の基準を満たすまで遅らせる、
ように構成され、
前記所定の基準が、時間および前記セルスタックアセンブリの温度のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする、燃料電池アセンブリ。
【請求項１３】
前記第１の電力需要が、前記第２の電力需要よりも大きいことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１４】
前記第２の運転パラメータの変更が、前記セルスタックアセンブリの圧力を低下させることを備えることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１５】
前記第１の運転パラメータが、反応物流れ、湿度、およびセルスタックアセンブリ電圧のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１６】
前記第１の運転パラメータを、前記第１の電力出力レベルと前記第２の電力出力レベルとの中間の電力出力レベルに対応する値に変更させることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１７】
前記第１の電力需要が、前記第２の電力需要よりも小さいことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１８】
前記第１の運転パラメータが、圧力を備えることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１９】
前記第２の運転パラメータが、反応物流れ、湿度、およびセルスタックアセンブリ電圧のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項２０】
前記コントローラが、前記第１の電力需要が前記第２の電力需要よりも大きいときに、余剰電力をパワーシンクに導くように構成されることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項２１】
前記パワーシンクが、電池、コンデンサ、または抵抗器のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２０に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項２２】
前記コントローラが、
前記セルスタックアセンブリの電圧をクリッピングし、
前記クリッピングの電圧値を温度に基づいて選択するように構成されることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項２３】
前記コントローラが、前記温度が上昇するに従い、前記クリッピングの電圧値を低下させるように構成されることを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
一般的な燃料電池装置は、セルスタックアセンブリ（ＣＳＡ）に統合して配置された複数の燃料セルを含む。空気などのカソード反応ガスと、水素などのアノード反応ガスと、が電気化学反応に用いられて、電気エネルギーを発生させる。加湿された膜がアノード反応物と、カソード反応物と、を隔離して、アノードおよびカソード間でイオン電流を伝導する。コントローラがセルスタックアセンブリの運転パラメータを監視し、アノードおよびカソード反応ガス流、および電流または電圧を制御して、所望のセルスタックアセンブリの電力出力レベルを生じさせる。
【背景技術】
【０００２】
セルスタックアセンブリからの所望の電力出力が変動する場合がある。これは、負荷または電力需要の変化に応じて発生しうる。これはまた、起動から通常運転への移行などの、燃料電池運転の変化の結果である場合もある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
セルスタックアセンブリの耐久性はサイクル運転に関連する腐食のメカニズムによって制限されうる。例えば、電圧サイクリングは徐々に性能劣化を引き起こす。局所的な膜の湿度サイクリングは膜を損耗させる。これらの種類のサイクリングの両方が、負荷または電力需要の変化に応じて起こりうる。こうしたサイクリングは低温では穏やかな腐食率または消耗率しかもたらさないが、こうしたサイクリングに関連する悪影響は高温運転によって悪化する。したがって、高温に置かれる時間や、高温偏位（high temperature excursions）時のサイクリング量を制限することが望ましい。電圧サイクリングからの悪影響を制限する一つのアプローチは、電圧クリッピングを用いることである。電圧サイクリングは、セルスタックアセンブリがクリップされる一定の電圧未満では、良好であるとみなされる。例えば、公称運転温度では、電圧を特定の値にクリップすることは許容できるが、それよりも高い運転温度では、電圧のクリッピングは許容できない。したがって、電圧クリッピングは完全な解決策ではない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一例の方法が、複数の運転パラメータを含む第１の電力出力レベルで燃料電池を運転させることを含む。各運転パラメータは、第１の電力需要を満たす値を有する。第１の電力需要と、第２の電力需要と、の間の変化が判定される。複数の運転パラメータのうち少なくとも一つの第１の運転パラメータが、第１の電力出力レベルに対応する値に維持される一方で、複数の運転パラメータのうち少なくとも一つの第２の運転パラメータが、第２の電力需要を満たす第２の電力出力レベルに対応する値に変更される。第１の運転パラメータの、第２の電力出力レベルに対応する値への変更は、所定の基準を満たすまで遅らされる。
【０００５】
一例の燃料電池アセンブリが、セルスタックアセンブリと、複数の運転パラメータを含む第１の電力出力レベルでセルスタックアセンブリを運転するように構成されたコントローラと、を含む。各運転パラメータは、第１の電力需要を満たす値を有する。コントローラは、第１の電力需要と、第２の電力需要と、の間の変化を判定する。コントローラは、複数の運転パラメータのうち少なくとも一つの第１の運転パラメータを第１の電力出力レベルに対応する値に維持し、かつ複数の運転パラメータのうち少なくとも一つの第２の運転パラメータを、第２の電力需要を満たす第２の電力出力レベルに対応する値に変更させる。コントローラは、第１の運転パラメータの、第２の電力出力レベルに対応する値への変更を、所定の基準を満たすまで遅らせる。
【０００６】
以下の記載および付記の図面からこれら開示の実施例およびその他の特徴が理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一例の燃料電池アセンブリを概略的に示す図。
【図２】別の一例の燃料電池アセンブリを概略的に示す図。
【図３】一例の燃料電池の運転方法を示す流れ図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は、複数の燃料セルを有するセルスタックアセンブリ（ＣＳＡ）１２を含んだ一例の燃料電池アセンブリ１０を概略的に示す。この実施例では、燃料源１４が水素などの反応物を供給し、その反応物は、燃料ポンプなどの供給装置１８によりセルスタックアセンブリ１２の燃料入口１６へと案内される。水素（または別の反応物）が周知のようにセルスタックアセンブリ１２を通流して発電を促進する。水素を含む排出燃料が、燃料出口２０を通してセルスタックアセンブリ１２から排出される。
【０００９】
空気源２２が、ブロワまたは圧縮機などの供給装置２６により送給される空気を、空気入口２４へと供給する。空気（または別のガス）が周知のようにセルスタックアセンブリ１２を通流して発電を促進する。排出空気が空気出口２８を通してセルスタックアセンブリ１２から排出されて、蒸発冷却システム３０へと案内される。蒸発冷却システム３０が周知のように作動して、排出空気から水を凝縮させ、その水が水入口３２を通してセルスタックアセンブリ１２へと案内される。
【００１０】
コントローラ３４は、供給装置１８，２６、蒸発冷却システム３０、セルスタックアセンブリ１２、および温度センサ３６と通信することにより燃料電池アセンブリ１０を制御する。図示の例では温度センサ３６がセルスタックアセンブリ１２と近接するように示されるが、温度センサ３６はまた、セルスタックアセンブリ１２から離間して配置されてもよい。
【００１１】
セルスタックアセンブリ１２によって生成された電力はコントローラ３４により、電池、コンデンサ、または抵抗器などの、負荷３８またはパワーシンク４０に選択的に案内される。
【００１２】
図２は別の例の燃料電池アセンブリ１０を概略的に示す。この実施例では、水が水出口２９を通してセルスタックアセンブリ１２から排出され、周知のように作動する顕熱冷却（sensible cooling）システム１３０へと導かれる。水は、水入口３２を通してセルスタックアセンブリ１２へと戻り、周知のようにセルスタックアセンブリ１２を冷却する。
【００１３】
図３は一例の燃料電池の運転方法を示す流れ図２００である。この一例の方法は、複数の運転パラメータを含む第１の電力出力レベルで燃料電池を作動させること（ステップ２０２）を含む。各運転パラメータは、現在の第１の電力需要を満たす、第１の電力出力レベルに対応する値を有する。この例では、運転パラメータが、セルスタックアセンブリの電圧、反応物の流量、反応物の圧力、および反応物の湿度のうち少なくとも一つを含む。
【００１４】
コントローラ３４は、第１の電力需要との間で変化する、第２の電力需要が発生するときを判定する（ステップ２０４）。
【００１５】
少なくとも一つの第１の運転パラメータが第１の電力出力レベルに対応する値に維持される一方、少なくとも一つの第２の運転パラメータが第２の電力出力レベルに対応する値に変更される（ステップ２０６）。第２の電力需要を満たすように複数の運転パラメータの全てを即座に変更するのではなく、この実施例は、複数の運転パラメータのうち少なくとも一つの変更を選択的に遅らせることを含む。このアプローチにより、燃料電池の寿命を低下させる高温偏位（high temperature excursions）時のセルスタックアセンブリの電圧、反応物の流量、反応物の圧力、および反応物の湿度のサイクリングを防止する。これは電力需要が繰返し変動する状況において特に有用である。電力需要の変化に応じて全ての運転パラメータが即座に変更される場合、それらの変更に関連するサイクリングが悪影響を及ぼしうる。しかしながら、電圧または局所的な膜湿度の有害なサイクリングが発生する前にセルスタックアセンブリの温度が緩和された場合、セルスタックアセンブリの予想される耐久性が延びる。
【００１６】
一例の実施は、第１の電力需要が第２の電力需要よりも大きいときに行われる。高出力での継続的な運転における特定の場合では、高出力運転に伴う熱の生成速度の増大により、セルスタックアセンブリが通常よりも高い温度への偏位（excursion）を生じさせる。さらに、継続的な高出力運転時では、高出力での継続的な運転に要求される圧力は通常よりも高いため、要求される反応物圧力の増加分だけ温度が更に増加する。この場合、電力需要が低下し次第、それに応じて反応物圧力を低下させる必要がある。それによりセルスタックアセンブリが冷却されはじめるようになり、あるいは、高圧が維持された場合に比べてより急速に冷却される。一方、圧力が第２の電力需要に対応するレベルまで速やかに低減されるにもかかわらず、セルスタックアセンブリの電圧や反応物の流量などのその他のパラメータは、いずれも第１の電力需要に対応する値に維持されるか、あるいは、第１の電力需要と第２の電力需要の中間に対応する値に変更される。
【００１７】
特に、セルスタックアセンブリの温度は依然として公称温度よりも高い一方、電圧は公称電圧よりも低い値にクリッピングされる。一例では、クリップ電圧は温度の関数として規定される。例えば、０．６Ｖのセル電圧が第１の電力需要に対応し、０．８８Ｖのセル電圧が第２の電力需要に対応する場合、セルスタックアセンブリの温度に応じて、その温度が公称温度に達し、セル電圧が０．８８Ｖに浮動されるまで、電圧が０．８８Ｖよりも低い値にクリップされる。クリップ電圧は特定の電圧を上回る電圧サイクリングを回避する役割を果たし、より高温での運転時におけるより低い電圧へのクリッピングは、より一層サイクリングを緩和する役割を果たす。
【００１８】
一例では、クリップ電圧は、セルスタックアセンブリが運転される最大電圧である。クリップ電圧は最小電力ドロー（minimum power draw）を制限し、電力需要が最小電力ドローを下回るときは常に余剰電力をパワーシンクに分流させる。一例のクリップ電圧は、温度が１°Ｃ上昇する毎にセルあたり３ｍＶ低下する。
【００１９】
さらに、セルスタックアセンブリの温度が公称値よりも高い一方で、そのセルスタックアセンブリの温度が、局所的な膜の湿度サイクリングの許容できる温度の公称範囲に達するまで、こうした湿度サイクリングを回避するように、局所的な蒸発と局所的な水の生成との間の安定したバランスを維持することを目的として、反応物の流量が、第１の電力需要に対応する流量と、第２の電力需要に対応する流量と、の中間レベルに設定される。
【００２０】
膜湿度は空間的に均一ではなく、セル内の異なる部位によって様々である。所定の位置における膜湿度、すなわち「局所的な」膜の湿度もまた、局所的な水の蒸発速度および水の生成速度の変化の影響を受けるに従い、経時変化しうる。局所的な蒸発速度は反応物の流量、反応物の湿度、および反応物の圧力によって決まる一方、局所的な水の生成速度はセルスタックアセンブリの電流、電圧、および電力に関連する局所的なイオン電流密度によって決まる。局所的な膜の湿度サイクリングは、公称温度において許容できるが、高温偏位時には、例えば局所的な蒸発と局所的な水の生成との間の安定したバランスを維持するように、反応物の流量およびセルスタックアセンブリの電流を調整することによって緩和される。
【００２１】
一例では、反応物の流量の中間値は、（反応物の流量、湿度、および圧力によって決まる）局所的な蒸発と、（局所的な電流密度、延いてはセルスタックアセンブリの電圧によって決まる）局所的な水の生成と、の間の安定したバランスを維持するように選択される。こうしたバランスを維持することにより、セルスタックアセンブリが依然として相対的に高温にあっても、局所的な膜の湿度サイクリングを回避する。コントローラ３４は、そのバランスを維持するのに必要な反応物の流量を決定するように、単純または複雑なアルゴリズムを実装しうる。
【００２２】
この特定の例では、即座に変更されない、または中間値に設定される運転パラメータが、反応物流れと、カソード電位と、を含む。第２の電力需要に対応するように即座に変更される運転パラメータ（例えば、「第２の」パラメータ）は、反応物の圧力を含む。図１および図２を参照すると、供給装置２６および燃料弁１８が反応物の圧力を第２の電力需要に一致させるように低下させる一方、反応物の流量、湿度、およびセルスタックアセンブリの電圧は依然変更されない、または中間値に一時的に設定される。燃料電池は第２の電力需要を満たすように必要以上の電力を生成するため、電力出力レベルが第２の電力需要に一致するまで、余剰電力がパワーシンクに導かれる。反応物の圧力の低減、および妥当な場合、その他の運転パラメータの中間設定により、反応物の流れ、湿度、およびセルスタックアセンブリの電圧の変化が燃料電池の耐久性にとってさほど有害ではない範囲となるまで、燃料電池の運転温度が低減される。温度が所望の範囲に達するまで、反応物流れ、湿度、およびセルスタックアセンブリの電圧の少なくとも一つの大きい変化を遅らせることにより、ともすれば潜在的に有害となる影響を回避する。この例は、蒸発冷却システム３０および顕熱冷却システム１３０を利用する燃料電池に適用される。
【００２３】
第１の電力需要が第２の電力需要を下回る場合、第１の電力需要に対応する値に維持される運転パラメータが反応物の圧力を含む。電力需要の増加に応じて速やかに変更されうる運転パラメータが、反応物の流量、湿度、およびセルスタックアセンブリの電圧を含む。一例では、反応物の圧力は第１の電力需要に対応する値に維持され、それにより反応物の圧力が上昇した場合に昇温するのと同様のセルスタックアセンブリ１２の昇温を防ぐ。反応物の流量、湿度、およびセルスタックアセンブリの電圧は、第２の電力需要を満たすように第２の電力出力レベルに対応する値に速やかに変更される。この例は、蒸発冷却システム３０を利用する燃料電池に適用される。
【００２４】
第１の運転パラメータは、所定の基準を満たすまで変更が遅らされる（ステップ２０８）。例えば、所定の基準は所定の期間を含み、コントローラは、その所定の期間が経過するまで第１の運転パラメータの変更を遅らせる。頻繁な電力需要の変化を受けての頻繁な変更を避けることにより、燃料電池にとって有害となりうるサイクリングを低減する。
【００２５】
もう一つの例では、所定の基準がセルスタックアセンブリの温度を含み、コントローラは、温度センサ３６によって測定されたセルスタックアセンブリの温度が所定の温度に達するまで第１の運転パラメータの変更を遅らせる。
【００２６】
上記の考察から、多くの場合において、電力需要の変化が一時的に過ぎず、数秒後には電力需要が第２の電力需要から第１の電力需要に戻りうることは明らかであろう。この場合、「第１のパラメータ」はそれらの「第２」の値に変更されず、電力需要が戻るときには依然として「第１」の値または中間値のままであろう。それが事実であれば、第２の電力需要が第１の電力需要に比べて低い例では、たとえ電力需要がサイクリングされたとしても、電圧および局所的な膜湿度における全ての有害なサイクルが回避される。第２の電力需要が第１の電力需要に比べて高い例では、電力需要が戻るとき、圧力は依然最初の設定のままであり、一時的な温度上昇は、圧力が上昇した場合に比べて低い。このように、潜在的に有害な高温偏位が回避または最小化される。
【００２７】
本発明の好ましい実施例について開示したが、本発明の範囲内である程度の変更が行われうることが当業者にとって理解されるであろう。そのため、本発明に付与される法的保護の範囲を画定するために以下の特許請求の範囲を検討すべきである。
【図１】
0005824165.tif 000002
【図２】
0005824165.tif 000003
【図３】
0005824165.tif 000004