(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池スタックでの電池の性能低下を防止するためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】陰極入力空気流のパルス１０を低スタック電流密度で周期的に供給するステップ、及び、パルス１０に応答して各電池の電流密度出力を比較するステップを有し、著しい水の蓄積がない電池は或る電圧特徴１２を示し、著しい水の蓄積がある電池は他の電圧特徴を示す。１つ又は複数の電池が水の蓄積についての電圧特徴を示す場合、陰極吸気流パルスをより頻繁に供給して電池の故障を防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックの燃料電池の流路が冠水して電池の不安定性を示すかどうかを決定するための方法であって、
陰極反応ガスフローのパルスを、前記燃料電池スタック内の陰極流路に供給するステップと、
陰極反応ガスフローの前記パルスに応答して、所定の期間、前記燃料電池スタック内の各燃料電池の電圧のデータ点を収集するステップと、
パターン認識アルゴリズムを使用して、収集された前記データ点が、冠水した陰極流路と冠水していない陰極流路のいずれであるかを識別する、各燃料電池についての電圧特徴を示すかどうかを決定するステップと、
前記パターン認識アルゴリズムが１つ又は複数の前記電池が冠水した陰極流路を有すると決定した場合、前記陰極空気流パルスが供給される頻度を増大させるステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記燃料電池が冠水した陰極流路を有するかどうかを決定する前記ステップが、いずれかの前記燃料電池が冠水した流路を有するかどうかを、前記スタックの電流密度が所定の値を下回る場合に決定するステップのみを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記所定の値が約０．２Ａ／ｃｍ２である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
パターン認識アルゴリズムを使用する前記ステップが、スピアマン順位相関パターン認識アルゴリズムを使用するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
パターン認識アルゴリズムを使用する前記ステップが、前記データ点を各燃料電池の応答電圧の特徴の中央値に相関させるステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
パターン認識アルゴリズムを使用する前記ステップが、主成分分析パターン認識アルゴリズムを使用するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
パターン認識アルゴリズムを使用する前記ステップが、前記データ点を正規化するステップと、前記正規化されたデータ点を主成分に変換するステップと、前記主成分のユークリッドノルムを計算するステップとを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
パターン認識アルゴリズムを使用する前記ステップが、各データ点の平均値を減算し標準偏差で除算することにより、前記データ点を正規化するステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
パターン認識アルゴリズムを使用する前記ステップが、所定の特性変換行列を使用して、前記正規化されたデータ点を変換するステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
燃料電池システムであって、
陰極流路を備える燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの前記陰極流路に陰極吸気を供給する圧縮機と、
前記陰極流路から水を取り除くために、前記陰極流路に陰極空気流パルスが供給される頻度を制御する制御装置と、
を具備し、
前記制御装置が、陰極空気流パルス期間に、前記燃料電池スタックの各燃料電池の電圧出力のデータ点を収集し、パターン認識アルゴリズムを使用して、前記収集された電池電圧が冠水した陰極流路又は冠水していない陰極流路についての電圧特徴を示すかどうかを決定し、
前記パターン認識アルゴリズムが、１つ又は複数の前記電池が冠水した陰極流路を有すると決定する場合に、前記制御装置が、前記圧縮機からの前記陰極空気流パルスが供給される頻度を増大させる燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御装置が、前記スタック電流密度出力が所定の値を下回る場合にのみ、いずれの前記燃料電池が冠水した陰極流路を有するかどうかを決定する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記制御装置がスピアマン順位相関パターン認識アルゴリズムを使用する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記スピアマン順位相関パターン認識アルゴリズムが、前記電池電圧を各燃料電池の応答電圧特徴の中央値に相関させる、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記制御装置が主成分分析パターン認識アルゴリズムを使用する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
前記制御装置が、前記収集された電池電圧出力を正規化し、前記正規化された電池電圧を主成分に変換し、前記主成分のユークリッドノルムを計算する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記制御装置が、各データ点の平均値を減算し、標準偏差によって除算することにより、前記データ点を正規化する、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記制御装置が、所定の特性変換行列を使用して、前記正規化されたデータ点を変換する、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
燃料電池システムであって、
陰極流路を備える燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの前記陰極流路に陰極吸気流パルスを供給する圧縮機と、
前記陰極吸気パルスの期間に、電池電圧のパターン認識を使用して、前記陰極流路のうちのいずれかが水で溢れているかどうかを決定する制御装置と、
を備える燃料電池システム。
【請求項１９】
前記制御装置が、前記パターン認識についてスピアマン順位相関を使用する、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記制御装置が、前記パターン認識について主成分分析を使用する、請求項１８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、電池電圧のパターン認識を使用して、燃料電池スタックの陰極流路における水の蓄積を防止するためのシステム及び方法に関し、より詳細には、陰極流路における水の蓄積を防止するために各パルス期間に電池電圧のパターンを決定するよう、低スタック電流電力密度で、燃料電池スタックの陰極側にパルス状の陰極空気流を周期的に供給するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、清浄であり、燃料電池で効率的に電気を発生させるのに使用することができるので、非常に魅力的な燃料である。水素燃料電池は、電解質をその間に有する陽極及び陰極を備える電気化学的装置である。陽極は水素ガスを受取り、陰極は酸素又は空気を受け取る。水素ガスは陽極において解離されて自由陽子及び自由電子を生成する。陽子は電解質を通過して陰極に達する。陽子は陰極において酸素及び電子と反応して水を生成する。陽極からの電子は電解質を通過することができず、したがって、陰極に送られる前に、負荷を介して送られて仕事を実行する。
【０００３】
固体高分子形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は車両用として普及している燃料電池である。一般的に、ＰＥＭＦＣは、ペルフルオロスルホン酸膜などの固体高分子電解質陽子伝導性の膜を備える。典型的には、陽極及び陰極は、細かく分離された触媒粒子（通常は白金（Ｐｔ）である）を含み、それらの粒子は炭素粒子上に支持されており、アイオノマーと混合される。触媒混合物は膜の両側に析出される。陽極の触媒混合物と陰極の触媒混合物と膜との組合せは、膜／電極接合体（ＭＥＡ）を規定する。ＭＥＡは、適切な水管理及び加湿を含む、有効な運用のための或る条件を必要とする。
【０００４】
典型的には、幾つかの燃料電池が燃料電池スタックにおいて組み合わされて、所望の電力を生成する。前述の車両用燃料電池スタックについては、スタックは約２００以上の燃料電池を含み得る。燃料電池スタックは、陰極反応ガス（典型的には圧縮機によりスタックを介して強制される空気流）を受け取る。全部の酸素がスタックによって消費されるわけではなく、空気のうちの幾らかは、スタックの副産物としての水が含まれ得る陰極排気ガスとして出力される。また、燃料電池スタックは、スタックの陽極側に流れ込む陽極水素反応ガスを受け取る。
【０００５】
燃料電池スタックは、スタックにおける幾つかのＭＥＡの間に配置された一連のバイポーラ板を含み、バイポーラ板及び各ＭＥＡは２枚の端板の間に配置される。バイポーラ板は、スタックでの隣接する燃料電池に対する陽極側及び陰極側を含む。陽極ガスフロー・チャネルは、陽極反応ガスがそれぞれのＭＥＡに流れ込むことを可能にするバイポーラ板の陽極側に設けられる。陰極ガスフロー・チャネルは、陰極反応ガスがそれぞれのＭＥＡに流れ込むことを可能にするバイポーラ板の陰極側に設けられる。一方の端板は陽極ガスフロー・チャネルを備え、他方の端板は陰極ガスフロー・チャネルを備える。バイポーラ板及び端板は、ステンレス鋼又は導電性複合材料などの導体材料から作られる。端板は、燃料電池によって生成される電気をスタックから導く。また、バイポーラ板は冷却液が流れる流路を備える。
【０００６】
当該技術分野でよく理解されているように、燃料電池内の膜は、膜を通過するイオン抵抗が陽子を効果的に導くのに十分低くなるように、或る相対湿度を有する必要がある。燃料電池の動作期間には、ＭＥＡ及び外部加湿からの湿気が陽極及び陰極の流路に入り込み得る。低電池電力要求時（典型的には０．２Ａ／ｃｍ２を下回る時）には、反応ガスの流量が低過ぎて流路から水を押し出すことができないので、水は各流路内に蓄積する。水は、蓄積すると水滴を形成するが、板の材料は相対的に疎水性を有するので、水滴は広がり続ける。反応ガスの流れに実質的に垂直な流路内で水滴が形成されるという点で、水滴の接触角は一般的に約８０°〜９０°である。流路は共通の吸気マニホルドと排気マニホルドの間で並列なので、水滴のサイズが増大すると流路は閉鎖され、反応ガスは他の流路へと進路を変えられる。
【０００７】
反応ガスは、水で遮られたチャネルを通って流れることはないので、チャネルから水を押し出すことができない。チャネルが遮られた結果として反応ガスを受け取らない膜の区域は、電気を生成しないことになり、したがって、電流分布が不均質になり、燃料電池の総合効率が低減される。流路が水によって遮られれば遮られるほど、燃料電池によって生成される電気は減少し、２００ｍＶよりも小さい電池電位は電池故障とみなされる。燃料電池は電気的に直列に結合されるので、燃料電池のうちの１つが動作停止する場合には、燃料電池スタック全体が動作停止することになる。
【０００８】
低性能の電池は、特に低スタック電力出力時には、燃料電池用途では問題である。典型的には、低性能の電池は他の電池よりも多くの水を発生し、流路が冠水することもある。特に低電力動作時には、冠水した１つの電池は、下方への動作スパイラルを始動させ、最終的にスタックの故障に至ることがある。前述の通り、低性能電池及び燃料電池スタック故障の最も一般的な原因は、ガスの挙動力学における確率的変動に起因する水蓄積の結果としての、電池間の著しいばらつきである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
所望の出力電力を供給するのに必要な流量よりも高い流量で、流路を介して反応ガスを周期的に押し出す又は脈動させることによって流路内に蓄積された水を除去することは、通常は可能である。たとえば、車が長期間アイドリングしているときに発生するように、燃料電池スタックは、低出力要求で動作を継続しているとき、流路を介して陰極の空気を脈動させることが、当技術分野で知られている。たとえば、陰極の空気は、３〜５分毎にスタック電力の半分のレベルにまで脈動させてもよい。このように陰極の空気を脈動させることにより、水はチャネルから押し出される。しかし、増大した空気流は膜を乾燥させるので、膜の拡張及び収縮による問題を生じる。また、増大した空気流は、空気圧縮機に加えられる寄生電力を増大させ、それにより、総合的なシステム効率を低減させる。さらに、この技法は遅すぎることが多いので、電池の故障を防止することができない。
【００１０】
多数の電池へのガスの分割は、ほとんど等しくない。少ないガスを受け取る電池は相対湿度が比較的高くなり、多いガスを受け取る電池は相対湿度が比較的低くなる。電池の相対湿度が１００％を超えて増大する場合、水は陰極の流れ場のチャネルに集まってしまい、さらには空気流を低減させて、電池が故障し又は水が取り除かれるまで、問題を悪化させる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の教示によれば、燃料電池スタックでの電池の性能低下を防止するためのシステム及び方法が開示される。この方法には、低スタック電流密度で陰極入力空気流のパルスを周期的に供給するステップ、及び、パルスに応答して各電池の電圧出力を比較するステップが含まれる。著しい水の蓄積がない電池は或る電圧の特徴を示し、著しい水の蓄積がある電池は別の電圧の特徴を示す。１つ又は複数の電池が水の蓄積についての電圧特徴を示す場合、電池の故障を防止するために、陰極吸気流パルスをより頻繁に供給することができる。
【００１２】
添付図に関連した以下の記述及び添付の特許請求の範囲から、本発明の追加の特徴が明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
燃料電池の電圧出力のパターン認識に基づいて、燃料電池スタックでの低性能の電池を決定するためのシステム及び方法を対象とする本発明の実施の形態の以下の議論は、本質的に単なる例示であり、本発明或いはその用途又は使用法を限定するものではない。
【００１４】
本発明は、スタックの故障を防止するために、電池電圧出力のパターン認識を使用して、燃料電池スタックの１つ又は複数の電池の性能が低いかどうかを決定することを提案する。図１は、水平軸に時間、左側の垂直軸に電池の電圧、右側の垂直軸に陰極の化学量論的組成を表したグラフである。グラフの線１０は、約２１に等しい時刻から約６０に等しい時刻までの陰極入力空気のパルスを表す。この期間に、陰極の化学量論的組成は約３から約２０まで変化し、約３の陰極の化学量論的組成は、典型的には０．２Ａ／ｃｍ２よりも小さい低スタック電流密度に対する陰極の化学量論的組成を表す。グラフの線１２は、燃料電池スタックの１つの電池の電圧出力を表しているが、燃料電池の陰極流路は著しくは加湿されない。陰極空気流のパルス開始時点では、多くの反応ガスの結果として、電池電圧は約０．８３から約０．８４ボルトに上昇する。その後の或る短い期間には、著しい生産水を生成することなしに、膜が空気流によって乾燥する結果として、電池電圧は、陰極吸気パルスの期間に減少し始める。パルスが終了すると、陰極吸気の乾燥効果は低減され、電池電圧は０．８３ボルトに戻る。
【００１５】
図２は、水平軸に時間、左側の垂直軸に電池の電圧、右側の垂直軸に陰極の化学量論的組成を表したグラフである。同じ陰極吸気パルスがグラフの線１４で示される。グラフの線１６は、陰極の流路において著しい加湿を有する燃料電池電圧出力を表す。反応ガスが膜に達することができるように陰極吸気流が流路から水を押し出す結果として、電池電圧は、加湿ゆえに、パルスの開始時点では約０．８１から約０．８３ボルトへと増大する。膜が乾燥する結果として、電池電圧は、或る最大値に達すると、パルス期間において減少し始める。パルスが除去されると、低性能の電池は約０．８１ボルトの定常値まで戻る。
【００１６】
グラフの線１２及び１６の電圧の特徴は、視覚的に互いに識別するのが容易である。本発明は、パターン認識技法を使用して、低性能の電池を決定するために電池電圧の特徴を識別するので、電池が冠水した際の異常を自動的に検出して修復するためにオンライン診断として制御システムへ統合することが可能になる。電圧信号における僅かな差を識別することのできる適切な任意のパターン認識アルゴリズムを使用することもできる。パターン認識アルゴリズムは、燃料電池スタックの他の電池に対して、各電池の電圧特徴を分析する。いずれかの電池が均一でないと分かると、電池故障を防止するために、改善措置を取ることができる。
【００１７】
図３は、燃料電池スタック２２、制御装置２４及び圧縮機２６を備える燃料電池システム２０の簡略化されたブロック図である。圧縮機２６はスタック２２の陰極側の入力に空気流を加える。以下で詳細に論じるように、制御装置２４は、より流れの大きい圧縮機の空気を供給して陰極流路から水を除去することなど、電池が故障する前に改善措置を取ることができるように、圧縮機２６の速度を脈動させ、スタック２２の各燃料電池の電圧特徴を分析して、故障している燃料電池を十分早期に識別するパターン認識アルゴリズムを使用する。
【００１８】
本発明によれば、使用することができる１つのパターン認識技法はスピアマン順位相関として知られている。標準の統計的相関と同様に、スピアマン順位相関はデータの類似性の測定である。スピアマン順位相関における主要な差は、データの形状により大きく焦点を合わせるための、データ点の順位付けに起因する。次いで、ランク付けされたデータ点は、形状の類似性の測定を戻すよう相関付けられる。スピアマン順位相関は形状における差をより明確に示すので、パターン認識にとって有用である。標準の相関技法では現れない僅かな差が、スピアマン順位相関では視認できる。
【００１９】
図４は、燃料電池スタック２２の低性能の電池に対して改善措置を取る必要があるかどうか決定するために、制御装置２４においてパターン認識のためのスピアマン順位相関を使用するアルゴリズムの流れ図である。アルゴリズムは、判定ひし形３２において、圧縮機２６からの陰極空気流のパルスが検出されるかどうかを決定する。アルゴリズムは、低性能の電池が検出されないと仮定した場合に、１分毎などの所定の期間毎に、低スタック電流密度で陰極吸気のパルスを供給するように設計されている。
【００２０】
判定ひし形３２においてパルスが検出されると、アルゴリズムはパターン認識のためにスピアマン順位相関を使用する。ボックス３４で、アルゴリズムは、スタック２２の各電池に対するパルス応答電圧出力データを収集する。たとえば、パターン認識アルゴリズムは、図１及び２に示される完全な電圧特徴パターンを含むように、パルスの開始時点及びその後の或る時間の所定の期間（たとえば８０秒の間）、各電池の電圧を収集する。次いで、パターン認識アルゴリズムは、ボックス３６で、全部の電池に対して、データ点を応答電圧特徴の中央値に相関させる。次いで、アルゴリズムは、判定ひし形３８で、電圧特徴の中央値を各電池について全部の電圧特徴と比較して、電圧特徴のうちのいずれかが特徴の中央値と一致しないかどうかを決定する。どの電池も異常ではないと分かると、アルゴリズムは、ボックス４０で、陰極吸気流の脈動を低減させ、又は陰極空気流の所定の速度での脈動を維持する。しかし、判定ひし形枠３８で異常な電池が検出された場合、アルゴリズムは、ボックス４２で、陰極吸気流のパルスを増大させて、いずれかの電池が故障する前に陰極流路から水を押し出す。
【００２１】
本発明の他の実施の形態によれば、スタック２２の電池の電圧特徴を監視するためのパターン認識アルゴリズムに対して、主成分分析（ＰＣＡ）が使用される。図５は、ＰＣＡパターン認識アルゴリズムを使用して異常な電池を検出するためのプロセスを示す流れ図５０であり、流れ図３０に対する同様のステップは、同じ参照番号で識別される。ＰＣＡパターン認識アルゴリズムはボックス５２で入力データを正規化する。一つの実施の形態においては、各電池の変動の平均値を減算し、標準偏差で除算することにより、データは統計的に正規化される。次いで、アルゴリズムは、ボックス５４で、あらかじめ計算された特性変換行列を使用して、正規化されたデータを主成分に変換する。電池電圧、陰極の化学量論的組成、スタック圧力、スタック温度など、本明細書に記載の目的に適した任意の主成分を使用することができる。ＰＣＡパターン認識アルゴリズムは、入力の行列を、直交し相関関係のない主成分の行列に変換し、幾つかの技法でデータを定量化することを可能にする。次いで、パターン認識アルゴリズムは、ボックス５６で、陰極の流れのパルスに対する電圧応答の中央値へ変換されたデータのうちの２つの最も重要な主成分のユークリッドノルムを計算する。或る閾値を超えるユークリッドノルムを有する燃料電池は、将来の可能な不安定性を示し得る。また、ノルムを、生の電圧データのスピアマン順位相関とともに使用すると、正常な領域を形成することができ、或る範囲を超える相関及びノルムを有する電池は異常であると判定される。
【００２２】
前述の検討は、本発明の単に例示的な実施の形態を開示し記述する。当業者には容易に理解されるように、こうした検討、並びに添付の図面及び特許請求の範囲から、また、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、修正及び変形を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】水平軸に時間、左側の垂直軸に電池電圧、右側の垂直軸に陰極の化学量論的組成を取って、陰極吸気パルスに応答して陰極の流路に著しい水の蓄積を生じない燃料電池の電圧特徴を表すグラフである。
【図２】水平軸に時間、左側の垂直軸に電池電圧、右側の垂直軸に陰極の化学量論的組成を取って、陰極吸気のパルスに応答して陰極の流路に著しい水の蓄積を有する燃料電池の電圧の特徴を表すグラフである。
【図３】燃料電池システムの簡略化されたブロック図である。
【図４】電池の故障を防止するために、どの程度の頻度で陰極吸気パルスを供給するかを決定するよう、スピアマン順位相関パターン認識アルゴリズムを使用するための、本発明の一つの実施の形態によるプロセスを示す流れ図である。
【図５】電池の故障を防止するために、どの程度の頻度で陰極吸気パルスを供給するかを決定するよう、主成分分析パターン認識アルゴリズムを使用するための、本発明の他の実施の形態によるプロセスを示す流れ図である。
【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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【外国語明細書】
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