(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学燃料電池装置であって、
燃料送達入口及び燃料送達出口を有する燃料電池スタックを備え、
前記燃料電池スタックはさらに、膜／電極接合体及び、前記燃料送達入口と前記燃料送達出口との間に接続されて前記膜／電極接合体に燃料を送達する流体流路をそれぞれ有する、複数の燃料電池を含み、前記電気化学燃料電池装置は、さらに、
前記燃料送達入口と接続され、流体燃料を前記スタックに送達する燃料送達管と、
前記燃料送達出口と接続され、前記スタックから流体を流出させるブリード管と、
前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の量を、（ｉ）測定される燃料濃度、（ｉｉ）測定される湿度、（ｉｉｉ）前記スタック内の燃料電池のセル電圧、（ｉｖ）前記スタック内の燃料電池のインピーダンス、（ｖ）前記スタック内の燃料電池の抵抗値の、１つまたは複数の制御パラメータに応じて動的に変化させるように構成される、前記ブリード管に接続される可変オリフィス流量制御デバイスと、
前記燃料送達出口と前記燃料送達管との間に接続され、前記燃料送達出口から前記燃料送達入口に流体を再循環させる再循環管であって、前記燃料送達管、前記再循環管、及び前記燃料電池スタック内の燃料流路が全体として燃料回路を規定する、再循環管と、
前記再循環管内に熱交換器とをさらに備え、
前記可変オリフィス流量制御デバイスが前記再循環管に接続され、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流量の割合を制御パラメータに応じて動的に変化させるように構成され、
前記再循環管が、前記燃料送達管のエジェクタを介して前記燃料送達管に接続され、前記再循環管は前記エジェクタの吸入ポートに接続され、前記燃料送達入口は前記エジェクタの排出ポートに接続され、
前記エジェクタが、可変オリフィス・エジェクタであり、
前記電気化学燃料電池装置は、コントローラを介して、前記可変オリフィス流量制御デバイスを通るブリード量に影響を与える前記エジェクタの排出圧力を調整し、
前記コントローラは、前記エジェクタの排出圧力を調整するとともに、前記熱交換器のデューティに影響を与える前記可変オリフィス流量制御デバイスを通る流量の大きさを調整するように構成される、電気化学燃料電池装置。
【請求項２】
前記可変オリフィス流量制御デバイスがさらに、前記ブリード管に入る流体の割合を、（ｖｉ）前記燃料回路内の圧力、（ｖｉｉ）前記再循環管内の温度の、１つまたは複数の制御パラメータに応じて動的に変化させるように構成される、請求項１に記載の電気化学燃料電池装置。
【請求項３】
前記再循環管が、
前記燃料回路から液体の水を抽出するように構成されるウォータ・セパレータと、
前記燃料回路から水蒸気を抽出するように構成されるコンデンサとの、一方または両方を含み、
前記可変オリフィス流量制御デバイスはさらに、前記ブリード管に入る流体の割合を、前記燃料回路から抽出される水及び／または水蒸気の量に応じて、動的に変化させるように構成される、請求項１に記載の電気化学燃料電池装置。
【請求項４】
水素濃度センサ、湿度センサ、圧力センサ、温度センサの、１つまたは複数を前記燃料回路内にさらに含む、請求項１に記載の電気化学燃料電池装置。
【請求項５】
前記センサまたは複数の前記センサが、前記燃料送達管内に位置する、請求項４に記載の電気化学燃料電池装置。
【請求項６】
前記センサまたは複数の前記センサが、前記再循環管内に位置する、請求項４に記載の電気化学燃料電池装置。
【請求項７】
前記エジェクタの前記排出ポートと前記燃料送達入口との間の前記燃料送達管内に湿度センサ、温度センサ、及び圧力センサをさらに含む、請求項１に記載の電気化学燃料電池装置。
【請求項８】
前記エジェクタの前記排出ポートと前記燃料送達入口との間の前記燃料送達管内に水素濃度センサをさらに含む、請求項１に記載の電気化学燃料電池装置。
【請求項９】
前記可変オリフィス流量制御デバイスがさらに、燃料利用効率を最大化するように、前記ブリード管に向けて前記流量制御デバイスを通る流体の流量が変化するように構成されたコントローラを含む、請求項１に記載の電気化学燃料電池装置。
【請求項１０】
前記可変オリフィス流量制御デバイスがさらに、燃料電池の性能を回復するために、前記ブリード管に向けて前記流量制御デバイスを通る流体の流量が変化するように構成されたコントローラを含む、請求項１に記載の電気化学燃料電池装置。
【請求項１１】
前記再循環管は、
（ｉ）前記燃料回路から液体の水を抽出するように構成されるウォータ・セパレータと、
（ｉｉ）前記燃料回路から水蒸気を抽出するように構成されるコンデンサとの、一方または両方を含み、
前記燃料電池装置はさらに、前記ウォータ・セパレータ及び／またはコンデンサによる前記再循環管からの過剰な水の除去量を増大させるように、前記エジェクタの排出圧力を調整するように構成されたコントローラを含む、請求項１に記載の電気化学燃料電池装置。
【請求項１２】
前記可変オリフィス流量制御デバイスはさらに、燃料利用効率を最大にするめに、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の割合を変化させるように構成されるコントローラを含む、請求項１に記載の電気化学燃料電池装置。
【請求項１３】
前記可変オリフィス流量制御デバイスはさらに、燃料電池の性能を補うために、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の割合を変化させるように構成されるコントローラを含む、請求項１に記載の電気化学燃料電池装置。
【請求項１４】
前記燃料送達出口と前記可変オリフィス流量制御デバイスとの間に燃料濃度センサをさらに含み、前記流量制御デバイスは、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の量を、前記燃料濃度センサによって測定される燃料濃度に応じて動的に変化させるように構成される、請求項１に記載の電気化学燃料電池装置。
【請求項１５】
前記燃料濃度センサが、水素濃度センサである、請求項１４に記載の電気化学燃料電池装置。
【請求項１６】
前記燃料送達出口と前記燃料濃度センサとの間に、
液体の水を抽出するように構成されるウォータ・セパレータと、
水蒸気を抽出するように構成されるコンデンサとの、一方または両方をさらに含む、請求項１４に記載の電気化学燃料電池装置。
【請求項１７】
前記可変オリフィス流量制御デバイスが、ステッピング・モータによって制御され、それにより、前記流量制御デバイスを通る流体の量を制御する、可変オリフィスを有するバルブを備える、請求項１に記載の電気化学燃料電池装置。
【請求項１８】
前記可変オリフィス流量制御デバイスが、前記流量制御デバイス内の機械的絞り弁の位置を変化させる、変調パルス幅の可変デューティ・サイクル制御信号によって駆動可能であり、それによって前記流量制御デバイスを通る流体の量を制御する電磁石を備える、請求項１に記載の電気化学燃料電池装置。
【請求項１９】
ＡＣ電流または電圧変調を少なくとも１つのセル出力に適用するように構成される電気化学インピーダンス分光分析システムをさらに含み、前記流量制御デバイスが、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の量を、１つまたは複数の周波数で１つまたは複数のセルを測定したインピーダンスに応じて動的に変化させるように構成される、請求項１に記載の電気化学燃料電池装置。
【請求項２０】
電気化学燃料電池装置の作動方法であって、
燃料電池スタックに燃料送達入口及び燃料送達出口を提供することであって、複数の燃料電池が、膜／電極接合体及び、前記燃料送達入口と前記燃料送達出口との間に接続されて前記膜／電極接合体に燃料を送達する流体流路をそれぞれ有する、燃料電池スタックに燃料送達入口及び燃料送達出口を提供することと、
前記燃料送達入口に接続される燃料送達管を介して、燃料を前記燃料電池スタックに送達することと、
前記燃料送達出口に接続されるブリード管を介して、前記スタックから流体を排出することと、
前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の量を、（ｉ）測定される燃料濃度、（ｉｉ）測定される湿度、（ｉｉｉ）前記スタック内の燃料電池のセル電圧、（ｉｖ）前記スタック内の燃料電池のインピーダンス、（ｖ）前記スタック内の燃料電池の抵抗値の、１つまたは複数の制御パラメータに応じて動的に変化させるように、前記ブリード管に接続される可変オリフィス流量制御デバイスを制御することと、
前記燃料送達出口と前記燃料送達管との間に接続される再循環管において、前記燃料送達出口から前記燃料送達入口に流体を再循環させることであって、前記電気化学燃料電池装置の前記再循環管が、前記燃料送達管、前記再循環管、及び前記燃料電池スタック内の前記燃料流路によって規定される燃料回路を備えた熱交換器を含む、前記燃料送達出口から前記燃料送達入口に流体を再循環させることと、
前記可変オリフィス流量制御デバイスが前記再循環管に接続されることであって、前記再循環管が、前記燃料送達管のエジェクタを介して前記燃料送達管に接続され、前記再循環管は前記エジェクタの吸入ポートに接続され、前記燃料送達入口は前記エジェクタの排出ポートに接続され、前記エジェクタが、可変オリフィス・エジェクタである、前記可変オリフィス流量制御デバイスが前記再循環管に接続されることと、
前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流量の割合を制御パラメータに応じて動的に変化させることと、
前記可変オリフィス流量制御デバイスを通るブリード量に影響を与える前記エジェクタの排出圧力を調整することと、
前記エジェクタの排出圧力及び、前記熱交換器のデューティに影響を与える前記可変オリフィス流量制御デバイスを通る流量の大きさを調整することとを含む、電気化学燃料電池装置の作動方法。
【請求項２１】
燃料送達入口及び燃料送達出口、並びに、膜／電極接合体及び、前記燃料送達入口と前記燃料送達出口との間に接続されて前記膜／電極接合体に燃料を送達する流体流路をそれぞれ有する、複数の燃料電池を含む燃料電池スタックを有する電気化学燃料電池装置であって、前記燃料電池装置はさらに、前記燃料送達入口に接続されて流体燃料を前記スタックに送達する燃料送達管、及び、前記燃料送達出口に接続されてスタックから流体を排出するブリード管、及び、前記ブリード管に接続される可変オリフィス流量制御デバイスを備える、電気化学燃料電池装置において使用するためのコンピュータ・プログラムであって、
前記電気化学燃料電池装置は、前記燃料送達出口と前記燃料送達管との間に接続され、前記燃料送達出口から前記燃料送達入口に流体を再循環させる再循環管であって、前記燃料送達管、前記再循環管、及び前記燃料電池スタック内の燃料流路が全体として燃料回路を規定する、再循環管をさらに備え、前記可変オリフィス流量制御デバイスが前記再循環管に接続され、前記再循環管が、前記燃料送達管のエジェクタを介して前記燃料送達管に接続され、前記再循環管は前記エジェクタの吸入ポートに接続され、前記燃料送達入口は前記エジェクタの排出ポートに接続され、前記エジェクタが可変オリフィス・エジェクタであり、前記電気化学燃料電池装置の前記再循環管が熱交換器を含み、
前記コンピュータ・プログラムは、前記電気化学燃料電池装置のコントローラにロードされる場合、前記コントローラに出力信号を与えさせて、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の量を、（ｉ）測定される燃料濃度、（ｉｉ）測定される湿度、（ｉｉｉ）前記スタック内の燃料電池のセル電圧、（ｉｖ）前記スタック内の燃料電池のインピーダンス、（ｖ）前記スタック内の燃料電池の抵抗の、１つまたは複数の制御パラメータに応じて動的に変化させるように前記可変オリフィス制御デバイスを制御するように構成され、
前記コンピュータ・プログラムはさらに、前記コントローラに出力信号を与えさせて、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流量の割合を制御パラメータに応じて動的に変化させるように構成され、前記コンピュータ・プログラムはさらに、前記コントローラに、前記可変オリフィス流量制御デバイスを通るブリード量に影響を与える前記エジェクタの排出圧力を調整させるように構成され、前記コンピュータ・プログラムはさらに、前記コントローラに、前記エジェクタの排出圧力を調整させるとともに、前記熱交換器のデューティに影響を与える前記可変オリフィス流量制御デバイスを通る流量の大きさを調整させるように構成される、コンピュータ・プログラム。
【請求項２２】
前記コントローラに出力信号を与えさせて、前記ブリード管に入る流体の割合を、（ｖｉ）前記燃料回路内の圧力、（ｖｉｉ）前記再循環管内の温度の、１つまたは複数の制御パラメータに応じて動的に変化させるようにさらに構成される、請求項２１に記載のコンピュータ・プログラム。
【請求項２３】
前記コントローラに出力信号を与えさせて、前記ブリード管に入る流体の割合を、ウォータ・セパレータ及びコンデンサの一方または両方によって前記燃料回路から抽出される水及び／または水蒸気の量に応じて、動的に変化させるようにさらに構成される、請求項２１に記載のコンピュータ・プログラム。
【請求項２４】
前記燃料回路内の、水素濃度センサ、湿度センサ、圧力センサ、温度センサの、１つまたは複数からの入力信号を受信するようにさらに構成される、請求項２１に記載のコンピュータ・プログラム。
【請求項２５】
前記コントローラに出力信号を与えさせて、燃料利用効率を最大にするために、前記ブリード管に向けて前記流量制御デバイスを通る流体の流量を変化させるように構成される、請求項２１に記載のコンピュータ・プログラム。
【請求項２６】
前記コントローラに出力信号を与えさせて、燃料電池の性能を補うために、前記ブリード管に向けて前記流量制御デバイスを通る流体の流量を変化させるように構成される、請求項２１に記載のコンピュータ・プログラム。
【請求項２７】
前記コントローラに出力信号を与えさせて、燃料利用効率を最大にするために、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の割合を変化させるように構成される、請求項２１に記載のコンピュータ・プログラム。
【請求項２８】
前記コントローラに出力信号を与えさせて、燃料電池の性能を補うために、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の割合を変化させるように構成される、請求項２１に記載のコンピュータ・プログラム。
【請求項２９】
前記コントローラに出力信号を与えさせて、前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の量を、前記燃料送達出口と前記可変オリフィス流量制御デバイスとの間に配置される燃料濃度センサによって測定される燃料濃度に応じて動的に変化させるように構成される、請求項２１に記載のコンピュータ・プログラム。
【請求項３０】
前記コントローラに出力信号を与えさせて、流量制御デバイス内の機械的絞り弁の位置を変化させるように適合した変調パルス幅の可変デューティ・サイクル制御信号が生成され、それによって前記流量制御デバイスを通る流体の量を制御するように構成される、請求項２１に記載のコンピュータ・プログラム。
【請求項３１】
前記コントローラに、ＡＣ電流または電圧変調を少なくとも１つのセル出力に適用させ、かつ、前記コントローラに前記燃料送達出口から前記ブリード管に入る流体の量を、１つまたは複数の周波数で１つまたは複数のセルを測定したインピーダンスに応じて動的に変化させることで、電気化学インピーダンス分光分析プロセスを実施する命令をさらに含む、請求項２１に記載のコンピュータ・プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、より詳細には、それに限定されないが、水素が燃料電池のアノード側に供給され、酸素が燃料電池のカソード側に供給され、かつ、副生成物の水が、燃料電池のカソード側で生成され、燃料電池のカソード側から取り除かれる、プロトン交換膜型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
そのような燃料電池は、２つの多孔性電極の間に挟まれたプロトン交換膜（ＰＥＭ）を備え、全体として膜／電極接合体（ＭＥＡ）を備える。ＭＥＡ自体は慣習的に、（ｉ）ＭＥＡのカソード面に隣接する第１の面を有するカソード拡散構造と、（ｉｉ）ＭＥＡのアノード面に隣接する第１の面を有するアノード拡散構造と、の間に挟まれる。アノード拡散構造の第２の面は、集電及び、アノード拡散構造の第２の面への水素の分配のために、アノード流体流動フィールド板に接触する。カソード拡散構造の第２の面は、集電、カソード拡散構造の第２の面への酸素の分配、及びＭＥＡからの反応生成物の水の抽出のために、カソード流体流動フィールド板に接触する。アノード流体流動フィールド板及びカソード流体流動フィールド板はそれぞれ、慣習的に、それぞれの拡散構造に隣接する面内に、反応ガス（たとえば、水素及び酸素）の送達、並びに、排気ガス（たとえば、使用しなかった酸素、及び水蒸気）の除去のための、流体流動チャネルを有する、剛性であり、導電性の材料を備える。
【０００３】
そのような燃料電池の動作において考慮すべき重要事項は、ＭＥＡ内、及びＭＥＡに流体を送達する流動フィールド内における、水、及び窒素などの不活性ガスの管理である。燃料電池の製造に使用される膜により、通常、少量の水及び窒素が、カソード側からアノード側に膜を通過することが可能になる。ＭＥＡが依然として、使用中に適切に水和されることが重要であるが、スタック内の燃料電池のアノード側のＭＥＡの加湿及び不活性ガスの濃度レベルの制御の不全により、燃料の希釈及び／または流路の閉塞、そしてひいては、不十分な電池性能、及び／または、セルが早期に故障する結果となる場合がある。
【０００４】
本発明は特に、燃料電池スタックにおける燃料送達（アノード）流路内の、非燃料流体及び固体の管理に関する。非燃料流体には、窒素などの不活性ガス、他の気体状の汚染物質、水、微粒子、及び残骸が含まれ得る。他の気体状の汚染物質、水、微粒子、及び残骸は、そうでなければ、スタックの燃料送達流路内で形成される場合がある。
【０００５】
アノード流路の管理の１つの手法は、窒素などのパージガスを用いて、アノード流路を定期的にパージすることである。この手法は、汚染物質をアノード流路から排出するのに効果的である場合があるが、燃料電池の電気的な出力を遮断すること、及び窒素のパージガスの供給源が現場で必要であることの、潜在的な欠点がある。別の手法は、スタック出口に接続されたパージ・バルブまたはブリード・バルブを開くことにより、燃料ガス（たとえば水素）を通常よりも高い流量で定期的にアノードをパージすることである。この手法には、燃料が無駄になるという潜在的な欠点がある。定期的にパージする頻度及び持続時間は、通常、制御モデルによって決定され得る。この制御モデルは、スタックの既知の特性に基づき、燃料電池スタックのアノード側における水素及び／または窒素の濃度を見積もるか、水素濃度の測定及び／またはセル電圧の測定を使用して、定期的なブリードがいつ必要であるかを決定する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、アノード流路から非燃料流体及び／または個体の汚染物質をパージする代替的方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの態様によれば、本発明により、
燃料送達入口及び燃料送達出口を有する燃料電池スタックであって、
この燃料電池スタックはさらに、膜／電極接合体及び、燃料送達入口と燃料送達出口との間に接続されて膜／電極接合体に燃料を送達する流体流路をそれぞれ有する、複数の燃料電池を備える、燃料電池スタックと、
燃料送達入口と接続され、流体燃料をスタックに送達する燃料送達管と、
燃料送達出口と接続され、スタックから流体を流出させるブリード管と、
燃料送達出口からブリード管に入る流体の量を、（ｉ）測定される燃料濃度、（ｉｉ）測定される湿度、（ｉｉｉ）スタック内の燃料電池のセル電圧、（ｉｖ）スタック内の燃料電池のインピーダンス、（ｖ）スタック内の燃料電池の抵抗値の、１つまたは複数の制御パラメータに応じて動的に変化させるように構成される、ブリード管に接続される可変オリフィス流量制御デバイスと、
を備える電気化学燃料電池装置が提供される。
【０００８】
電気化学燃料電池装置は、燃料送達出口と燃料送達管との間に接続され、燃料送達出口から燃料送達入口に流体を再循環させる再循環管であって、燃料送達管、再循環管、及び、燃料電池スタック内の燃料流路が全体として燃料回路を規定する、再循環管を含んでもよく、可変オリフィス流量制御デバイスが再循環管に接続され、燃料送達出口からブリード管に入る流量の割合を制御パラメータの関数として動的に変化させるように構成される。
【０００９】
可変オリフィス流量制御デバイスはさらに、ブリード管に入る流体の割合を、（ｖｉ）燃料回路内の圧力、（ｖｉｉ）再循環管内の温度の、１つまたは複数の制御パラメータに応じて動的に変化させるように構成してもよい。再循環管は、燃料回路から液体の水を抽出するように構成されるウォータ・セパレータと、燃料回路から水蒸気を抽出するように構成されるコンデンサとの、一方または両方を含んでもよい。可変オリフィス流量制御デバイスはさらに、ブリード管に入る流体の割合を、燃料回路から抽出される水及び／または水蒸気の量に応じて、動的に変化させるように構成してもよい。再循環管は、燃料送達管のエジェクタを介して燃料送達管に接続してもよく、再循環管はエジェクタの吸入ポートに接続され、燃料送達入口はエジェクタの排出ポートに接続される。エジェクタは、可変オリフィス・エジェクタであってもよい。電気化学燃料電池装置は、水素濃度センサ、湿度センサ、圧力センサ、温度センサの、１つまたは複数を燃料回路内に含んでもよい。このセンサまたは複数のセンサは、燃料送達管内及び／または再循環管内に位置してもよい。電気化学燃料電池装置は、エジェクタの排出ポートと燃料送達入口との間の燃料送達管内に湿度センサ、温度センサ、及び圧力センサを含んでもよい。電気化学燃料電池装置は、エジェクタの排出ポートと燃料送達入口との間の燃料送達管内に水素濃度センサを含んでもよい。可変オリフィス流量制御デバイスはさらに、燃料利用効率を最大化するように、ブリード管に向けて流量制御デバイスを通る流体の流量を変化させるように構成されるコントローラを含んでもよい。可変オリフィス流量制御デバイスはさらに、燃料電池の性能を補うように、ブリード管に向けて流量制御デバイスを通る流体の流量を変化させるように構成されるコントローラを含んでもよい。再循環管は、（ｉ）燃料回路から液体の水を抽出するように構成されるウォータ・セパレータ、（ｉｉ）燃料回路から水蒸気を抽出するように構成されるコンデンサの、一方または両方を含んでもよい。燃料電池装置はさらに、ウォータ・セパレータ及び／またはコンデンサによる再循環管からの過剰な水の除去量を増大させるように、エジェクタの排出圧力を調整するように構成されるコントローラを含んでもよい。電気化学燃料電池装置は、再循環管内に熱交換器を含んでもよい。
可変オリフィス流量制御デバイスはさらに、燃料利用効率を最大化するように、燃料送達出口からブリード管に入る流体の割合を変化させるように構成されるコントローラを含んでもよい。可変オリフィス流量制御デバイスはさらに、燃料電池の性能を補うように、燃料送達出口からブリード管に入る流体の割合を変化させるように構成されるコントローラを含んでもよい。
【００１０】
電気化学燃料電池装置は、燃料送達出口と可変オリフィス流量制御デバイスとの間に燃料濃度センサを含んでもよく、この流量制御デバイスは、燃料送達出口からブリード管に入る流体の量を、燃料濃度センサによって測定される燃料濃度に応じて動的に変化させるように構成される。燃料濃度センサは、水素濃度センサであってもよい。電気化学燃料電池装置は、燃料送達出口と燃料濃度センサとの間に、液体の水を抽出するように構成されるウォータ・セパレータと、水蒸気を抽出するように構成されるコンデンサとの、一方または両方を含んでもよい。
【００１１】
可変オリフィス流量制御デバイスは、ステッピング・モータによって制御され、それにより、流量制御デバイスを通る流体の量を制御する可変オリフィスを有するバルブを備えてもよい。可変オリフィス流量制御デバイスは、流量制御デバイス内の機械的絞り弁の位置を変化させる、変調パルス幅の可変デューティ・サイクル制御信号によって駆動可能であり、それによって流量制御デバイスを通る流体の量を制御する電磁石を備えてもよい。
【００１２】
電気化学燃料電池装置は、ＡＣ電流または電圧変調を少なくとも１つのセル出力に適用するように構成される電気化学インピーダンス分光分析システムを含んでもよく、流量制御デバイスは、燃料送達出口からブリード管に入る流体の量を、１つまたは複数の周波数における１つまたは複数のセルの測定されるインピーダンスに応じて動的に変化させるように構成される。
【００１３】
別の態様によれば、本発明により、
燃料電池スタックに燃料送達入口及び燃料送達出口を提供することであって、複数の燃料電池が、膜／電極接合体及び、燃料送達入口と燃料送達出口との間に接続されて膜／電極接合体に燃料を送達する流体流路をそれぞれ有する、燃料電池スタックに燃料送達入口及び燃料送達出口を提供することと、
燃料送達入口に接続される燃料送達管を介して、燃料を燃料電池スタックに送達することと、
燃料送達出口に接続されるブリード管を介して、スタックから流体を排出することと、
燃料送達出口からブリード管に入る流体の量を、（ｉ）測定される燃料濃度、（ｉｉ）測定される湿度、（ｉｉｉ）スタック内の燃料電池のセル電圧、（ｉｖ）スタック内の燃料電池のインピーダンス、（ｖ）スタック内の燃料電池の抵抗値の、１つまたは複数の制御パラメータに応じて動的に変化させるように、ブリード管に接続される可変オリフィス流量制御デバイスを制御することと、
を含む、電気化学燃料電池装置の作動方法が提供される。
【００１４】
別の態様によれば、本発明により、燃料送達入口及び燃料送達出口、並びに、膜／電極接合体及び、燃料送達入口と燃料送達出口との間に接続されて膜／電極接合体に燃料を送達する流体流路をそれぞれ有する、複数の燃料電池を含む燃料電池スタックを有する電気化学燃料電池装置であって、燃料電池装置はさらに、燃料送達入口に接続されて流体燃料をスタックに送達する燃料送達管、及び、燃料送達出口に接続されてスタックから流体を排出するブリード管、及び、ブリード管に接続される可変オリフィス流量制御デバイスを備える、電気化学燃料電池装置において使用するためのコンピュータ・プログラムであって、
コンピュータ・プログラムは、電気化学燃料電池装置のコントローラにロードされる場
合、コントローラに出力信号を与えさせて、燃料送達出口からブリード管に入る流体の量を、（ｉ）測定される燃料濃度、（ｉｉ）測定される湿度、（ｉｉｉ）スタック内の燃料電池のセル電圧、（ｉｖ）スタック内の燃料電池のインピーダンス、（ｖ）スタック内の燃料電池の抵抗値の、１つまたは複数の制御パラメータに応じて動的に変化させるように可変オリフィス制御デバイスを制御するように構成される、コンピュータ・プログラムが提供される。
【００１５】
コンピュータ・プログラムは、燃料送達出口から燃料送達入口に再循環させるための、燃料送達出口と燃料送達管との間に接続される再循環管をさらに備え、燃料送達管、再循環管、及び、燃料電池スタック内の燃料流路が全体として燃料回路を規定し、可変オリフィス流量制御デバイスは再循環管に接続される、電気化学燃料電池装置における使用のために構成してもよく、コンピュータ・プログラムはさらに、コントローラに出力信号を与えさせて燃料送達出口からブリード管に入る流体の割合を制御パラメータに応じて動的に変化させるように構成される。コンピュータ・プログラムはさらに、コントローラに出力信号を与えさせて、ブリード管に入る流体の割合を、（ｖｉ）燃料回路内の圧力、（ｖｉｉ）再循環管内の温度の、１つまたは複数の制御パラメータに応じて動的に変化させるように構成してもよい。コンピュータ・プログラムはさらに、コントローラに出力信号を与えさせて、ブリード管に入る流体の割合を、ウォータ・セパレータ及びコンデンサの一方または両方によって燃料回路から抽出される水及び／または水蒸気の量に応じて、動的に変化させるように構成してもよい。コンピュータ・プログラムはさらに、燃料回路内の、水素濃度センサ、湿度センサ、圧力センサ、温度センサの、１つまたは複数からの入力信号を受信するように構成してもよい。コンピュータ・プログラムはさらに、コントローラに出力信号を与えさせて、燃料利用効率を最大化するように、ブリード管に向けて流量制御デバイスを通る流体の流量を変化させるように構成してもよい。コンピュータ・プログラムはさらに、コントローラに出力信号を与えさせて、燃料電池の性能を補うように、ブリード管に向けて流量制御デバイスを通る流体の流量を変化させるように構成してもよい。コンピュータ・プログラムはさらに、コントローラに出力信号を与えさせて、燃料利用効率を最大化するように、燃料送達出口からブリード管に入る流体の割合を変化させるように構成してもよい。コンピュータ・プログラムはさらに、コントローラに出力信号を与えさせて、燃料電池の性能を補うように、燃料送達出口からブリード管に入る流体の割合を変化させるように構成してもよい。コンピュータ・プログラムはさらに、コントローラに出力信号を与えさせて、燃料送達出口からブリード管に入る流体の量を、燃料送達出口と可変オリフィス流量制御デバイスとの間に配置される燃料濃度センサによって測定される燃料濃度に応じて動的に変化させるように構成してもよい。コンピュータ・プログラムはさらに、コントローラに出力信号を与えさせて、流量制御デバイス内の機械的絞り弁の位置を変化させるように適合される、変調パルス幅の可変デューティ・サイクル制御信号を与え、それによって流量制御デバイスを通る流体の量を制御するように構成してもよい。コンピュータ・プログラムはさらに、コントローラに、ＡＣ電流または電圧変調を少なくとも１つのセル出力に適用させ、かつ、コントローラに燃料送達出口からブリード管に入る流体の量を、１つまたは複数の周波数における１つまたは複数のセルの測定されるインピーダンスに応じて動的に変化させることで、電気化学インピーダンス分光分析プロセスを実施する命令を含んでもよい。
【００１６】
ここで、本発明の実施形態が例として、添付の図面を参照して記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、ブリード制御回路及び燃料再循環回路を含む燃料電池装置を示す。
【図２】図２は、ブリード制御回路及び燃料再循環回路を含む燃料電池装置を示す。
【図３】図３は、ブリード制御回路を含み、燃料再循環回路を含まない燃料電池装置を示す。
【図４ａ】図４ａは、ブリード制御装置として使用するのに適切な、可変オリフィス流量制御デバイスの例示的形態を示す。
【図４ｂ】図４ｂは、ブリード制御装置として使用するのに適切な、可変オリフィス流量制御デバイスの例示的形態を示す。
【図５ａ】図５ａは、可変オリフィス流量制御デバイスを使用してブリード量を制御するための例示的な制御アルゴリズムを示す。
【図５ｂ】図５ｂは、可変オリフィス流量制御デバイスを使用してブリード量を制御するための例示的な制御アルゴリズムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１を参照すると、電気化学燃料電池装置１は、燃料送達入口３及び燃料送達出口４を有する燃料電池スタック２を備える。燃料電池スタック２は、よく知られている原理によるスタック構造の、複数の燃料電池５から構成される。各セル５は、膜／電極接合体（ＭＥＡ）、ＭＥＡのアノード側に流体燃料を送達するためのアノード流体流路、及び、ＭＥＡのカソード側に流体オキシダントを送達するためのカソード流体流路を有する。オキシダント流体（たとえば空気）をＭＥＡに送達し、ＭＥＡから反応副生物（たとえば水）を除くためのカソード流路及びカソード流体送達下部構造は、全体として慣習的な方式で構成してもよく、ここでは示されない、または記載されない。
【００１９】
燃料送達入口３が、図示の水素供給源などの燃料供給源７から供給される燃料送達管６と接続される。したがって、燃料送達管は流体燃料を燃料電池スタック２に送達し、そこで、流体燃料がスタック内の各セルに適切なマニフォールド（図示せず）を使用して分配される。燃料送達出口４が、すぐ下でより詳細に記載されるように、使用しない燃料を燃料送達管６に戻すように構成される再循環管８に接続される。再循環管８はまた、ブリード・ライン１０に入る流体の流量が変化することを可能にするように接続される可変オリフィス・ブリード・バルブ９を含む。可変オリフィス・ブリード・バルブ９により、最小流量（流量ゼロの低さになる場合がある）と、最大オリフィス・サイズに対応する最大流量との間で流量の大きさが連続的に変化することが可能になる。様々なタイプの可変オリフィス・ブリード・バルブ９を使用して、そこを通る流量を連続的に変化させることができる。図４ａ及び４ｂと関連して、２つの例示的なタイプを後に記載する。
【００２０】
再循環管８は、燃料送達管６のエジェクタ１１に延びる。エジェクタ１１は、可変オリフィス・エジェクタであることが好ましい。エジェクタ１１は、「動力」入口とも称される高圧燃料ライン入口Ｍ、燃料を排出し、燃料電池スタックの燃料送達入口３に流体を再循環させるように構成される排出出口Ｄ、及び、再循環管８に低圧吸引力を与えるように構成される吸入入口Ｓを有する。
【００２１】
再循環管８は、再循環燃料から水及び／または水蒸気を取り除くための構成要素をも含むことが好ましい。それらの構成要素には、たとえば、水蒸気及び／または液体の水を抽出する第１のウォータ・セパレータまたはコンデンサ１２、再循環流体から熱を抽出する熱交換器１３、並びに、水蒸気及び／または液体の水を抽出する第２のウォータ・セパレータまたはコンデンサ１４が含まれ得る。ウォータ・セパレータ１２、１４の水出口すなわち排水路には、自動排水路またはソレノイド・バルブ１５、１６を設けてもよい。
【００２２】
装置１はさらに、様々なタイプの１つまたは複数のセンサを含む。図１に示すような好ましい構成では、圧力センサ２１がエジェクタ１１の排出出口Ｄの下流の燃料送達管に接続される。図１に示すような好ましい構成では、燃料濃度センサ２２がエジェクタ１１の排出出口の下流の燃料送達管に接続される。燃料濃度センサ２２は、好ましい構成では、全領域（０−１００％）水素濃度センサである。この装置は、エジェクタ１１の排出出口Ｄの下流の燃料送達管に接続される温度センサ２７及び湿度センサ２６も含んでもよい。
【００２３】
装置１はさらに、可変オリフィス・ブリード・バルブ９に接続されてブリード・バルブのブリード量を制御するブリード・コントローラ２０を含む。ブリード・コントローラ２０には１つまたは複数の入力が設けられ、その内の１つには、燃料濃度センサ２２からの燃料濃度センサ出力２２ａを含んでもよい。
【００２４】
図１に示すような１つの構成では、燃料電池スタック２は、スタック２内の１つまたは複数の個別のセル５からの電圧レベルを提供する複数のセル電圧モニタリング出力２３も含む。セル電圧は、スタック内のすべてのセルについて、または場合によっては選択されたセルのみについて、測定することができる。ブリード・コントローラ２０には、セル電圧モニタリング出力２３ａに対応する入力をも設けてもよい。
【００２５】
装置１はさらに、エジェクタ１１に接続されてエジェクタ可変オリフィスを制御し、それによって排出出口Ｄにおける燃料流量及び圧力を決定する、燃料コントローラ２５を含んでもよい。燃料コントローラ２５は、圧力センサ出力２１ａ及びセル電圧モニタリング出力２３ａを入力として受信するように接続してもよい。
【００２６】
ブリード・ライン１０は、燃料を大気へ排出するための開口に通じてもよく、または、適切な燃料回収装置に通じてもよい。
【００２７】
図１に示す燃料電池装置１において、燃料送達管６、再循環管８、及び燃料電池スタック２内の燃料流路を燃料回路として規定することができる。燃料はエジェクタ１１を使用して再循環される。ブリード・バルブ９及びブリード・ライン１０は、制御された量の燃料をキャリア・ガスとして放出することにより、過剰な水及び／または不活性もしくは汚染されたガスを燃料回路から取り除くのに使用される。そうでなければ、過剰な水及び／または不活性もしくは汚染されたガスは、燃料回路内に蓄積される。ブリード・バルブ９及びブリード・ライン１０は、微粒子及び残骸をパージするのに効果的である場合もある。そうでなければ、微粒子及び残骸は、燃料回路内で蓄積される場合がある
ブリード・コントローラ２０の制御下では、可変オリフィス・ブリード・バルブ９により、燃料送達出口４からブリード・ライン１０に入る流体の割合（「ブリード量」）は、燃料電池スタック２の燃料利用効率を最大化させるように動的に変化させられる。ブリード量の制御が、燃料回路及び／または燃料電池スタックからの１つまたは複数の直接の測定値をブリード・コントローラ２０の制御パラメータとして使用して決定されることが、重要な特徴である。測定値には、以下の内のいずれか１つまたは複数が含まれる。
【００２８】
（ｉ）燃料回路内の燃料濃度
（ｉｉ）燃料回路内の湿度（たとえば、相対湿度）
（ｉｉｉ）燃料電池スタック内のセル電圧
（ｉｖ）スタック内の燃料電池のインピーダンス
（ｖ）スタック内の燃料電池の抵抗値
燃料濃度及び湿度などの制御パラメータの測定値は、排出出口Ｄと燃料送達入口３との間、または、吸入入口Ｓの上流の再循環管内などの、燃料回路内の任意の適切な位置で取得することができる。湿度レベルが高いために測定値が不正確になることを避けるか抑制するために、測定値は、ウォータ・セパレータ１２、１４、コンデンサ、または熱交換器１３のいずれかの下流で取得されることが好ましい。
【００２９】
セル抵抗値の測定は、セル電圧のモニタリングに別様に使用されるセル電気接続を使用して行うことができる。セル・インピーダンスの測定は、電気化学インピーダンス分光（ＥＩＳ）分析の技術を使用して行うことができる。この技術では、電圧または電流の微小のＡＣ乱れ／変動が、たとえばスタック上の電気的負荷を介して、燃料電池スタックに印
加される。スタック内のセルの、対応するＡＣ電流または電圧の応答が測定されて、その特定のＡＣ周波数におけるセルまたは複数のセルの、抵抗の、容量性の、及び／または電磁誘導の作用が決定される。試験下でのセルまたは複数のセルの物理的及び化学的プロセスは、異なる特徴的な時定数を有し、したがって、それらは、異なる周波数のＡＣ変動／変調を使用して分析することができる。
【００３０】
例として、インピーダンス分析により、セルまたはセル群のフラッディング・レベルが増大するか減少するかを決定することができ、検出される増大または減少に応じてブリード量を直接変更することができる。
【００３１】
セル電圧、セル抵抗、またはセル・インピーダンスの電気的測定は、１つもしくは複数のセルについて個別のセルベースで、またはセルの１つもしくは複数の群／サブセット、またはセルのスタック全体を一緒に行うことができる。
【００３２】
ブリード・コントローラ２０の制御パラメータとして使用できる別の測定値は、ウォータ・セパレータ／コンデンサ１２、１４の出口２８において測定することができる液体除去率とすることができる。
【００３３】
したがって、使用時には、上述の燃料電池装置により、低レベルの連続しているが変化するパージまたはブリード量が与えられて、過剰な水及び／または不活性ガスを取り除く。そうでなければ、過剰な水及び／または不活性ガスは、セル５のアノード触媒層で発生する水素酸化反応を弱め、そしてひいては、セル及びスタックの性能を低下させる可能性がある。効果的にパージするには、燃料ガス流をキャリア・ガスとして使用して、あらゆる過剰な水及び／または不活性ガス及び／または残骸を燃料電池スタック２及び再循環管８から押し出す。そうでなければ、過剰な水及び／または不活性ガス及び／または残骸は、燃料電池スタックの燃料利用効率を弱める可能性がある。しかし、ブリード量は、センサ及びブリード・コントローラ２０によって与えられるフィードバック機構を使用して、パージの要件に一致する、可能な限り低いレベルに維持される。したがって、記載のシステムにおいて、ブリード量は最小化されて、燃料利用効率を最大化しつつ、作動寿命に応じて性能を最適化するために、燃料電池内の個別のセルの感度を反映する。燃料回路または燃料電池スタック内で有力な物理的状況を測定する１つまたは複数のセンサを使用する制御フィードバックによる、連続した低レベルのブリードにより、断続的な定期的パージを提供する他の技術に比べ、燃料効率の改善がされ得る。特に、リアルタイムのセンサの測定値に基づき連続的に変化する低レベルのパージにより、燃料電池スタックは、断続的なパージ周期に基づいて最適な状況と準最適な状況との間を行き来するというよりむしろ、常に最適な状況下で作動され得る。
【００３４】
燃料及び非燃料汚染物質が燃料回路からパージされるかブリードされるブリード量の制御は、概して、以下の測定値に基づくものとすることができる。
【００３５】
（ｉ）エジェクタ１１からの排気流またはエジェクタへの吸入流の相対湿度
（ｉｉ）エジェクタ１１からの排気流またはエジェクタへの吸入流における燃料濃度
（ｉｉｉ）燃料電池スタックのセル電圧のバランスまたはセル電圧のプロファイル
（ｉｖ）燃料電池スタックのセル・インピーダンスまたは抵抗値のバランス／プロファイル
（ｖ）１つもしくは複数の燃料電池または燃料電池スタックの電気化学インピーダンス分光（ＥＩＳ）分析
ブリード量の制御は、以下の二次測定値に基づくものとすることもできる。
【００３６】
（ｖｉ）エジェクタ１１からの排気流またはエジェクタへの吸入流の圧力
（ｖｉｉ）エジェクタへの吸入流の温度
（ｖｉｉｉ）吸入流から液体の除去率
それらの測定値のいくつかには、図１の構成に示されるものに対し、追加のセンサ、または位置が変更されたセンサが必要である場合がある。
【００３７】
これらの測定値の組合せが、制御パラメータとして使用される場合がある。相対湿度の測定値は、水素濃度の測定値を修正または調整するのに使用される場合がある。再循環管８または、送達出口Ｄの下流の燃料送達管６における水素濃度の測定値は、エジェクタ１１において供給源７から供給される燃料（たとえば水素）を希釈する、燃料送達出口４において燃料電池スタックを出る不活性ガスの量を示す。ブリード・バルブ９を通るブリード量が増加すると、希釈が低下し、燃料送達入口３に供給される水素の化学量論比が増大する。エジェクタ１１は、燃料送達入口３の圧力を維持し、アノードの化学量論比を制御し、水の分離量を制御し、熱交換器１３の熱効率を制御し、セル電圧のバランスを維持し、かつ、ブリード量の制御を補助するように制御することができる。
【００３８】
ブリードは、再循環管８にＴ字型に接続されるニードル・バルブまたはガス・インジェクタとすることができる可変オリフィス・ブリード・バルブ９を使用して、ブリード・コントローラ２０によって作動する。ブリード・ライン１０を通過するブリード・ガスは、（たとえばカソードの排気ラインに接続されることによって）他の場所で希釈される場合があり、大気に排出されるか、隣接するシステム内に再循環されるか、適切な燃焼器内で燃焼されてもよい。ブリード・ガスの排気または回収の他の方法を考えてもよい。
【００３９】
ブリード・コントローラは、セル電圧のバランスを維持し、燃料送達入口における湿度を制御し、吸入入口Ｓにおける吸入圧力を制御し、熱交換器１３の熱効率を制御し、かつ、水の分離を制御する役割を果たすことができる。
【００４０】
エジェクタ１１は、ポンプ、インジェクタ、または多段階エジェクタなどの任意の形態の燃料調整デバイスと取り替えることができる。燃料調整デバイスの排出圧力を調整して、ブリード・バルブ９を通るブリード量に影響を与えることができる。ブリード・バルブ９用のブリード・コントローラ２０及び燃料調整デバイス用の燃料コントローラ２５は、近接して接続され、多目的コントローラ／オプティマイザとして作動して、
（ａ）主として燃料側で、燃料電池スタックの流体感度に応じてブリード量を調整し、
（ｂ）燃料利用効率を最大化することができる。
【００４１】
したがって、ブリード量はスタックの作動寿命に応じて燃料電池スタックの流体感度に反映される。ブリード・コントローラ２０は、適切なアルゴリズムを伴い、燃料利用効率を最大化するように構成することが好ましい。可能な制御アルゴリズム戦略を、図５ａ及び５ｂを参照して、以下に記載する。
【００４２】
図５ａに示す第１の例では、逐次制御アルゴリズム７０が動作の第１フェイズ７１を含み、この第１フェイズ７１において、ブリード・コントローラ２０が、アノード流体流路／燃料回路からの、水の除去量７２と、不活性ガス／粒子の除去量７３の両方を最大化するように作動する。図示の例では、このことは、セル電圧出力２３をモニタリングして、バランスが取れたセル・プロファイルを取得することにより達成される。たとえば、変化するブリード量を取得して、スタック２のセル電圧の最小分散または標準偏差を取得する。動作の第２フェイズ７４においては、ブリード・コントローラ２０が作動して、水素ブリード量７５を最小化することができる。図示の例では、燃料利用効率をモニタリングすること、たとえば、スタックの電力出力に応じての水素使用量をモニタリングすることによって達成することができる。
【００４３】
逐次制御アルゴリズムは、動作の第１フェイズと第２フェイズとの間を周期的に推移することができる。動作の他のフェイズも、動作の第１のフェイズと第２のフェイズとの間で使用することができる。動作の任意のフェイズの間、コントローラ２５は、エジェクタ１１（もしくは他の燃料調整デバイス）の排出出口Ｄの圧力を制御及び変化させ、エジェクタ１１（もしくは他の燃料調整デバイス）の動力入口Ｍの入口圧力を制御及び変化させ、かつ／または、再循環管内の熱交換器１３を通るクーラントの流量を制御及び変化させることもできる。
【００４４】
図５ｂに示す第２の例では、多目的コントローラ８０を使用して、所与の時間における２つ以上の対象を考慮することができる。そのような制御アルゴリズムでは、様々な制御入力８１ａ、８１ｂ、８１ｃを、コンビネーションのロジック８３ａ、８３ｂ、８３ｃに従い、燃料電池装置１からのフィードバック入力８２ａ、８２ｂ、８２ｃと組み合わせることができる。モニタリングされる変数には、セル電圧、インピーダンス及び抵抗値、相対湿度、動力入口Ｍ、排出出口Ｄ、及び吸入入口Ｓにおける圧力、燃料濃度、熱交換器の温度差、燃料温度、並びに、システムからの、たとえばウォータ・セパレータ１２及び／または１４を使用した、再循環管８からの、水の除去量（ｄｍｌｉｑ，ｒｅｊｅｃｔｅｄ／ｄｔ）の、任意のものを含むことができる。
【００４５】
図１に示され、それに関して記載された装置に、多くの変化を加えることができる。図２が、燃料電池装置３０の代替の例示的な構造を示す。装置の対応する特徴には、図１と同じ参照符号が使用され、別様に示されない限り、対応する機能を発揮する。
【００４６】
図２の構成では、可変オリフィス・エジェクタ３１は燃料コントローラ２５によって制御されて、スタック電流が変化すると、主として排出出口Ｄの排出圧力を維持する。この制御は、ステッピング・モータ３２を駆動するコントローラ２５によって行われ、それによってエジェクタの内部オリフィスを制御する。したがって、制御は、圧力センサ２１で測定される排出圧力に基づく。ブリード・コントローラ２０は、吸入入口Ｓに通じる再循環管と接続される可変オリフィス・ブリード・バルブ９を制御する。システム全体の総体的制御は、燃料コントローラ２５及びブリード・コントローラ２０の機能を管理及び／または調和させるエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）３３によって行われる。ブリード・コントローラ２０の入力信号には、以下の内のいくつか、またはすべてが含まれ得る。
【００４７】
（ｉ）セル電圧モニタリング・デバイス出力２３からのセル電圧プロファイル。好ましくは、個別のセル電圧、平均セル電圧、セル電圧の分散、スタック内の最小セル電圧、スタック内の最大セル電圧、各パラメータの変化率、最も低性能のセルのパラメータの、１つまたは複数を含む。
【００４８】
（ｉｉ）燃料送達管６内の相対湿度センサ２６によって測定される相対湿度
（ｉｉｉ）燃料送達管６内の水素濃度センサ２２によって測定される水素の組成
（ｉｖ）燃料送達管６内の温度センサ２７及び圧力センサ２１によって測定される温度及び／または圧力
（ｖ）燃料電池または燃料電池スタックの電気化学インピーダンス分光（ＥＩＳ）分析
通常の態様では、センサの配置には柔軟性がある。たとえば、温度及び圧力センサ２７、２１は再循環管８内、好ましくは、吸入入口Ｓと、ウォータ・セパレータもしくはコンデンサまたは熱交換機デバイス１２、１３、１４の任意のものとの間（たとえば、デバイス１２、１３、１４の下流）に配置することができる。
【００４９】
相対湿度センサ２６は、流れが水蒸気で飽和していない、エジェクタ１１、３１と、燃料送達入口３との間の燃料送達管６内に配置されることが好ましい。飽和された、または濃縮した流れ（たとえば、任意の水管理デバイス１２、１４の上流の再循環管８内）は、
測定センサの精度に影響を与える場合があり、避けることが好ましい。同じポイントでの絶対圧力及び温度の測定値と共に、相対湿度の測定値を使用して燃料送達入口３での水蒸気のモル分率を決定することが可能である。０−１００％水素センサ２２は、同じ管に設置されて、測定流内の水素の全体の割合を決定することが好ましい。測定される水素のモル分率から蒸気のモル分率を減じることにより、排気流の不活性ガスの組成を決定することが可能である。それらの測定値は、ＣＶＭ測定値から推量される電圧データ、及び変化率に対してモニタリングして、燃料送達入口３での排出ガスの特定の組成の変化に対するセル電圧の感度を決定することができる。
【００５０】
ブリード・コントローラ２０は、セルの測定された性能に従い、ブリード量を調整して、セル性能を補うように構成することもできる一方、燃料コントローラ２５は、エジェクタ１１の排出出口Ｄでの排出圧力を調整して、過剰な水及び不活性ガスをスタックから取り除くことを補助するように構成することもできる。高圧であるが低流量のブリードが、特定の状況下で最も効果的とし得ることが可能である。
【００５１】
排出圧力を増大させ、ブリード量を減少させることにより、再循環管８内の圧力を増大させることによって、熱交換器１３の効率に影響を与えることも可能である。
【００５２】
ウォータ・セパレータの水の分離及び回収は、ウォータ・セパレータ（複数の場合もある）１２、１４内の圧力によっても影響を受け、再循環管８内の圧力を調整して、再循環管から回収される液体の水の量を増大または減少させることが可能である。再循環管８の加圧を使用して、セパレータ１２、１４のアンダーフローを介し、流量をモニタリングする任意選択の液体流量メータ２９を介して排水ライン２８に接続される水タンクなどの、液体の水の保持デバイスへの、液体の水の流れを駆動することもできる。
【００５３】
回収される液体の水は、気化冷却燃料電池システムにおける気化冷却のために、燃料電池スタックへの注入に使用することができる。再循環管８からの液体の水の除去は、熱交換器１３内で液体の水を凝縮することによって向上させることができる。再循環管８内の熱交換器１３の熱効率は、ホテルの負荷量または車両システム内のキャビンの暖房装置に役立つように使用され得るものとすることが可能である。
【００５４】
本明細書に記載される通常のブリード機構は、再循環燃料を隣接するスタックに横送りすることができるマルチ・スタック・システムにも適用することができる。
【００５５】
エジェクタは、ポンプまたは他の適切な流量管理デバイスで代用され得る。
上述のブリード制御燃料電池装置は、燃料を再循環しない燃料電池スタック・システムにも適用することができる。図３は、燃料電池装置４０の代替の例示的な構造を示す。装置の対応する特徴には、図１及び２と同じ参照符号を使用し、別様に示されない限り、対応する機能を発揮する。
【００５６】
図３において、装置４０は、燃料源７に流量／圧力レギュレータ４１を介して接続される燃料送達管６を有する。流量／圧力レギュレータは、燃料コントローラ２５によって制御され得る。燃料電池スタックは、可変オリフィス・ブリード・バルブ９を介してブリード・ライン１０に直接接続される燃料送達出口４を含む。この構成では、燃料の再循環が提供されない。可変オリフィス・ブリード・バルブ９は、ブリード・コントローラ２０によって制御される。バルブ９を通るブリード量の制御は、図１及び２と関連して前述した１つまたは複数の制御パラメータに応じて影響を受ける。しかし、図３の構成の場合、関連するセンサは、水素濃度センサ２２、湿度センサ２６、圧力センサ２１、及び温度センサ２７の位置によって示すように、燃料送達出口４とブリード・バルブ９との間に配置される。
【００５７】
燃料濃度センサ２２が燃料濃度の測定値を提供するために使用される場合、これらは湿度の変化によって影響を受ける場合があり、センサ２２の上流のウォータ・セパレータまたはコンデンサ１２を含むことが好ましい場合がある。同様に、湿度センサ２６並びに圧力センサ２１及び温度センサ２７を使用して、燃料濃度の測定値を補正または調整するために測定値を提供することが有益である場合もある。
【００５８】
例示した様々な実施形態により、燃料（水素）濃度センサ、圧力センサ、湿度センサ、及び温度センサを含む複数のタイプのセンサ、並びにセル電圧モニタリングが示されたが、任意の特定のブリード・コントローラまたは流体コントローラの入力の目的にそれらが必要でない場合は、いくつかのセンサを省いてもよいことを理解されたい。
【００５９】
燃料コントローラ２５、ブリード・コントローラ２０、及びＥＣＵ３３に割り当てられた制御機能は、分散した、または１つに統合したコントローラ・デバイスにすることができる。燃料コントローラ２５、ブリード・コントローラ２０、及びＥＣＵ３３の制御機能のいくつかまたはすべては、様々なコントローラに分散される方式で実施されるか、単一のコントローラに中心的に実施されるかのいずれにせよ、１つまたは複数の一般的なプロセッサまたは１つまたは複数の特定用途のプロセッサ内で実施されるコンピュータ・プログラムを使用して提供され得る。制御機能及びコンピュータ・プログラムは、通常、ソフトウェア、ファームウェア、もしくはハードウェア、またはそれらの任意の組合せ内で実施することができる。コンピュータ・プログラムは、コントローラまたは複数のコントローラ内にロードするための任意の適切なコンピュータ可読媒体に提供することができるか、ネットワーク上のリモート・リソースからダウンロードとして提供することができるか、コントローラまたは複数のコントローラに事前にインストールすることができる。
【００６０】
先に述べたように、様々なタイプの可変オリフィス流量制御デバイスが可変オリフィス・ブリード・バルブ９の役割を果たして、そこを通る流量を連続的に変化させることができる。図４ａを参照すると、可変オリフィス・バルブ５０が入口５１及び先細の出口ノズル５２を備える。出口ノズル５２はプランジャ５３（たとえば、ニードル）を含み、その位置は出口ノズル５２に対し移動可能であり、特に出口ノズルの長手軸の方向における出力ノズルの先細り部分５４に対し移動可能である。図示の例では、プランジャ５３の位置はステッピング・モータ５５によって変化させることができる。ステッピング・モータが矢印５６の方向において左方にプランジャを駆動すると、流量を減らすことができ、またその逆も同様である。プランジャ５３の位置によって有効オリフィス径が決定し、それによって流量が調整される。ステッピング・モータによるプランジャ位置の制御により、可変オリフィス・ブリード・バルブを通る流量を極めて正確に、良好に制御することを可能することで、ブリード・コントローラ２０に正確かつ様々なレベルの連続したブリードを適用することが可能になる。
【００６１】
図４ｂを参照すると、可変オリフィス・バルブは、ソレノイド・バルブ６０の高周波数パルス幅変調によって実施することができる。バルブ６０は、入口６１及び先細の出口ノズル６２を備える。出口ノズル６２は、バネ仕掛けの端部６４を有するプランジャ６３を含み、そのプランジャ６３の位置は出口ノズル６２に対して移動可能であり、特に出口ノズルの長手軸の方向における出力ノズルの先細り部分６５に対し移動可能である。プランジャ６３の位置は、ソレノイド６６によって変化させることが可能である。ソレノイドは、矢印６７の方向に左方及び右方に、たとえば１００Ｈｚを超えるパルス幅変調制御信号で、及び変化する動作サイクルで駆動されて、プランジャの位置を良好に制御することを可能とし、したがって、完全にｏｎと完全にｏｆｆの位置間で、極めて正確で良好な、バルブ６０を通る流量の制御を可能とすることができる。これによりブリード・コントローラ２０が正確かつ様々なレベルの連続的なブリードを適用することが可能になる。
【００６２】
より一般的には、電磁石アクチュエータを駆動するための変動するデューティ・サイクルの、パルス幅変調信号の使用は、プランジャ、ニードル、バルブ、またはダイヤフラムなどの適切な機械的絞り弁の位置の良好な制御に向けて様々なタイプのバルブに適用することができ、それによって可変オリフィス流量制御デバイスの排出流または排出圧力を制御する。
【００６３】
記載される装置及び方法は、気化冷却スタック、液冷スタック、及び空冷スタックを含むすべてのタイプの燃料電池スタックに適用され得る。
【００６４】
他の実施形態が、添付の特許請求の範囲の範囲内にあることが意図される。 
【図１】
0006598784.tif 000002
【図２】
0006598784.tif 000003
【図３】
0006598784.tif 000004
【図４ａ】
0006598784.tif 000005
【図４ｂ】
0006598784.tif 000006
【図５ａ】
0006598784.tif 000007
【図５ｂ】
0006598784.tif 000008