(57)【要約】【課題】燃料電池システム内の空気流の温度を制御する方法および装置を提供すること。【解決手段】本方法と装置は水蒸気移送ユニットに入る空気流の温度を正確に制御し、所望の温度設定値を維持し、空気流が最適の動作温度に達するのに要する時間を最小にすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システム内の空気流の温度を制御する方法において、
（ａ）熱交換器に流体で接続されたシステムの冷媒ループを提供するステップであって、前記熱交換器が前記空気流を提供するために燃料電池スタックに流体で接続され、前記システムの冷媒ループが流体を含むステップと、
（ｂ）前記燃料電池システム内の事前設定されたポイントで前記空気流の実際の温度を確定するステップと、
（ｃ）前記事前設定されたポイントで前記空気流の所望の温度を確定するステップと、
（ｄ）前記事前設定されたポイントで、前記空気流の前記実際の温度と前記空気流の前記所望の温度との関数として、前記システムの冷媒ループから前記熱交換器への前記流体の少なくとも一部分の流れを制御し、前記所望の温度を達成するステップとを含む方法。
【請求項２】
前記事前設定されたポイントで前記空気流路中に接続された温度センサを使って前記ステップ（ｂ）を実行するステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記流体が冷媒である請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記事前設定されたポイントが加湿ユニットの入口である請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記加湿ユニットが、少なくとも１つの水蒸気移送ユニットを含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つの水蒸気移送ユニットが最大効率で動作する温度の関数として、前記所望の温度を確定することによって前記ステップ（ｃ）を実行するステップを含む請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記システムの冷媒ループから前記熱交換器への前記流体の少なくとも一部分の流れを制御するために弁配列を使って前記ステップ（ｄ）を実行するステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記弁配列が第１ディスクリートバルブおよび第２ディスクリートバルブを含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第１ディスクリートバルブがバイパス弁であり、開状態にある前記バイパス弁が、前記流体の少なくとも一部分を前記システムの冷媒ループの外へ導き、また前記熱交換器の中へ導く請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２ディスクリートバルブが冷却弁であり、開状態にある前記冷却弁が、前記流体の少なくとも一部分を前記システムの冷媒ループの外へ導き、また前記熱交換器に入る前に第２冷却熱交換器の中へ導く請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２冷却熱交換器がホイールハウスラジエータである請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１ディスクリートバルブおよび前記第２ディスクリートバルブを弁指令手法の極限を用いて制御するステップによってステップ（ｄ）を実行するステップを含む請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
弁指令手法の前記極限が比例−積分−微分制御器を使用して実施される請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１ディスクリートバルブおよび第２ディスクリートバルブを同期作動制御方法を用いて制御するステップによってステップ（ｄ）を実行するステップを含む請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
燃料電池システム内の空気流の温度を制御する方法において、
（ａ）燃料電池スタックと、システム冷媒ループ内の流体と、少なくとも１つの水蒸気移送ユニットに接続された熱交換器と、第１弁と、第２弁と、第２冷却熱交換器とを提供するステップと、
（ｂ）前記水蒸気移送ユニットの入口で空気流の実際の温度を確定するステップと、
（ｃ）前記水蒸気移送ユニットが最大効率で動作する温度の関数として前記空気流の所望の温度を確定するステップと、
（ｄ）前記システムの冷媒ループから前記熱交換器への前記流体の少なくとも一部分の流れを前記第１弁および前記第２弁と共に制御し、前記所望の温度を達成するステップとを含み、開の場合に前記第１弁が前記システムの冷媒ループから前記熱交換器中へ前記流体の少なくとも一部分を導き、開の場合に前記第２弁が、前記流体が前記熱交換器に入る前に前記システムの冷媒ループから前記第２冷却熱交換器中へ前記流体を導く方法。
【請求項１６】
前記第１ディスクリートバルブおよび第２ディスクリートバルブを弁指令手法の極限を用いて制御するステップによってステップ（ｄ）を実行するステップを含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
弁指令手法の前記極限が比例−積分−微分制御器を使用して実施される請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１ディスクリートバルブおよび第２ディスクリートバルブを同期作動制御方法を用いて制御するステップによってステップ（ｄ）を実行するステップを含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
燃料電池システム内の空気流の温度を制御する装置において、
第１コンジットを介して燃料電池スタックのカソード側に流体で接続される空気圧縮機と、
前記空気圧縮機と前記燃料電池スタックの前記カソード側の間の前記第１コンジット内に配置される熱交換器と、
前記熱交換器と前記燃料電池スタックの前記カソード側の間の第１コンジット内に配置される少なくとも１つの水蒸気移送ユニットと、
前記熱交換器と前記少なくとも１つの水蒸気移送ユニットの間の前記コンジット内に配置される温度センサと、
第２コンジットを介して前記熱交換器に、第３コンジットを介してシステムの冷媒ループに流体で接続される弁配列と、
第４コンジットを介して前記弁配列に、また前記第２コンジットを介して前記熱交換器に流体で接続される第２冷却熱交換器と、
第１接続を介して前記弁配列と電気的につながれ、第２接続を介して前記温度センサと電気的につながれる制御システムとを含み、前記制御システムが前記温度センサから受け取る電気信号に応答し、前記システムの冷媒ループから前記熱交換器および第２冷却熱交換器の少なくとも１つの中に流体を導くために前記弁配列に選択的に影響を及ぼし、前記熱交換器を出て、前記少なくとも１つの水蒸気移送ユニットに入る空気の所望の温度を実現する装置。
【請求項２０】
前記弁配列がバイパス弁および冷却弁を含む請求項１９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムの運転方法に関する。さらに詳しくは、この発明は水素燃料電池内のカソード入口空気流の温度制御のための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たいていの現代の燃料電池システムでは、圧縮機が燃料電池スタックに圧縮空気を供給し、圧縮空気が燃料電池スタックに入る前に水蒸気移送ユニットが圧縮空気を加湿する。燃料電池運転に要求される空気質量流量に対して、圧縮機を出る空気流の温度が、一般的には水蒸気移送ユニットの望ましい温度限界を超えている。
【０００３】
一般的に、制御システムでは、圧縮機を出るの空気流の温度を水蒸気移送ユニットの温度限界より低く維持するために熱交換器を使用する。
このような燃料電池システムでは、冷媒の熱交換器への流れは停止できない。燃料電池を始動するなど、カソードに入る空気流を加熱することが望ましいことがある状況がありながら、熱交換器に流入する冷媒はより低い温度にあり空気を冷却する。したがって、所望の動作温度に達するのに要する時間が、必要以上に長引いてしまう。加えて、このような燃料電池システムは、水蒸気移送ユニットに入る空気流の能動的制御を継続せず、また所望の温度に維持することもできない。このことが、水蒸気移送ユニットを最適レベルで作動させることを妨げている。
【特許文献１】米国特許第６８４９３５２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
空気流を所望の温度に維持し、空気流が所望の動作温度に達するのに要する時間を最小にすることになる、水蒸気移送ユニットに入る空気流の温度を正確に制御するための方法および装置を開発することが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による燃料電池システム内の水蒸気移送ユニットに入る空気流の温度を制御する方法および装置が驚くべきことに発見された。この方法は、水蒸気移送ユニットに入る、所望の温度の空気流で維持し、空気流が最適の動作温度に達するのに要する時間を最小にする。
【０００６】
一実施形態では、燃料電池システム内の空気流の温度を制御する方法は、熱交換器が燃料電池スタックに流体で接続され、システムの冷媒ループが第１流体を含む、熱交換器に流体で接続されたシステムの冷媒ループを提供するステップと、燃料電池システムにおいて事前設定された点で空気流の実際の温度を確定するステップと、事前設定された点で空気流の所望の温度を確定するステップと、事前設定された点で空気流の実際の温度と空気流の所望の温度との関数としてシステムの冷媒ループから熱交換器への第１流体の少なくとも一部分の流れを制御し、所望の温度を達成するステップとを含む。
【０００７】
一実施形態では、燃料電池システム内の空気流の温度を制御する方法は、燃料電池スタック、第１流体、システムの冷媒ループ、熱交換器、少なくとも１つの水蒸気移送ユニット、第１弁、第２弁、および第２冷却熱交換器を提供するステップと、水蒸気移送ユニットの入口で空気流の実際の温度を確定するステップと、水蒸気移送ユニットが最大効率で動作する温度の関数として空気流の所望の温度を確定するステップと、システムの冷媒ループから熱交換器への第１流体の少なくとも一部分の流れを第１弁および第２弁と共に制御し、所望の温度を達成するステップとを含み、冷媒が熱交換器に入る前に、開の場合、第１弁がシステムの冷媒ループから熱交換器中へ第１流体の少なくとも一部分を導き、開の場合、第２弁が、システムの冷媒ループから第２冷却熱交換器中へ冷媒を導く。
【０００８】
別の実施形態では、燃料電池システム内の空気流の温度を制御する装置は、第１コンジットを介して燃料電池スタックのカソード側に流体で接続された空気圧縮機と、空気圧縮機と燃料電池スタックの間の第１コンジット内に配置される熱交換器と、熱交換器と燃料電池スタックのカソード側の間の第１コンジット内に配置される少なくとも１つの水蒸気移送ユニットと、熱交換機と水蒸気移送ユニットの間のコンジット内に配置される温度センサと、第２コンジットを介して熱交換器に、第３コンジットを介してシステムの冷媒ループに流体で接続される弁配列と、第４コンジットを介して弁配列に、第２コンジットを介して熱交換器に流体で接続される第２冷却熱交換器と、第１接続を介して弁配列に電気的に連絡し、第２接続を介して温度センサと電気的に連絡する制御システムとを含み、制御システムが温度センサから受け取る電気信号に応答し、システムの冷媒ループから熱交換器および第２冷却熱交換器の少なくとも１つの中に第１流体を導くために弁配列に選択的に影響を及ぼし、コンジットを出て、水蒸気移送ユニットに入る所望の温度の空気を実現する。
【０００９】
添付の図面を見て検討される以下の詳細な好ましい実施形態の説明から、上記ならびに本発明の他の利点が、当業者には直ぐに明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下の詳細な説明および添付の図面は、本発明の種々の例示的実施形態を説明し図示している。説明および図面は、当業者が本発明を成し、使用するのを可能にするように働き、どんな方法によっても本発明の範囲を制限するものでない。開示された方法に関して、提示されたステップは、実際に例示であって、したがってステップの順序は不可欠でも、またはクリティカルでもない。
【００１１】
次に図１を参照すると、付随した構成要素と共に燃料電池システムの基本的配置が示されており、実際に多くの変形形態が可能である。燃料電池システム中に統合され、電気的に直列に接続された複数の個別の燃料電池からなる燃料電池スタック１０の概略的表現が示されている。さらに、本発明の範囲を逸脱せずに個別の燃料電池が並列に電気的に接続される場合があることも理解されたい。燃料電池スタック１０の全ての個別燃料電池のアノード側が、当技術分野で一般的に既知である方法で互いに接続され、その結果が参照番号１２で表されているスタックのアノード側になる。同様の方法で、燃料電池スタック１０の燃料電池のカソード側が、当技術分野で一般に既知である方法で互いに接続され、その結果が参照番号１４で表されているスタックのカソード側になる。様々な種類の燃料電池システムの運転が当技術分野で一般に既知であり、一実施形態が、本明細書の出願人の所有する米国特許第６８４９３５２号中に見出すことができ、ここに参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。したがって、本発明に関係がある燃料電池システムの運転だけが記述の中で説明されることになる。
【００１２】
本明細書で説明される例示的実施形態では、燃料電池システムは制御システム１６を含む。制御システム１６は、接続１８を介してモータ２０に電気的につながれる。接続１８は、電気的連絡の任意の従来手段であってよい。モータ２０が、圧縮機２２に結合される。圧縮機２２が、空気供給コンジット２６を介して燃料電池スタック１０のカソード入口２４と流体でつながれている。コンジット２６は、密閉された通路を提供する任意の従来のコンジットでよい。
【００１３】
加湿器２８が圧縮機２２とカソード入口２４の間のコンジット２６中に配置される。加湿器２８は、少なくとも１つの水蒸気移送ユニット２３と、入口温度センサ２５とを含む。入口温度センサ２５は、接続２７を介して制御システム１６と電気的につながれている。水蒸気移送ユニット２３は、カソード出口１５および図４に示したようにシステム出口と流体でつながれている。
【００１４】
熱交換器３０が圧縮機２２と加湿器２８の間のコンジット２６中に配置される。熱交換器３０が、コンジット３２を介して弁配列３５と流体でつながれている。弁配列３５はバイパス弁３６と冷却弁３８とを含む。バイパス弁３６は、コンジット４０を介して燃料電池システムの冷媒ループ５８および冷却弁３８と流体でつながれている。出口コンジット３１が、熱交換器３０および燃料電池システムの冷媒ループ５８と流体で接続される。
【００１５】
制御システム１６は、接続５６を介してバイパス弁３６と電気的につながれており、接続５４を介して冷却弁３８と電気的につながれている。
冷却弁３８は、コンジット５０を介して第２冷却熱交換器５１と流体でつながれている。第２冷却熱交換器５１は、コンジット５２を介して熱交換器３０と流体でつながれている。第２冷却熱交換器５１は、ホイールハウスラジエータなどの任意の適切な大きさに作られた冷却熱交換器でよい。
【００１６】
運転中、空気はコンジット４２を介して圧縮機２２に供給される。圧縮機２２はモータ２０によって駆動される。圧縮機２２により圧縮された空気は、熱交換器３０および加湿器２８を通りコンジット２６を介して燃料電池スタック１０のカソード入口２４に供給される。
【００１７】
圧縮機２２を出る圧縮空気の温度は、水蒸気移送ユニット２３の効率的運転のために望ましい温度より一般的に高い。通常、燃料電池の運転に必要な流量で、圧縮機を出る空気は、概して約１２０℃である。図示した実施形態では、水蒸気移送ユニット２３の許容温度限界は約９０℃である。
【００１８】
熱交換器３０は、当技術分野で一般に既知である方法で、熱交換器３０を通って移動する空気の温度に影響を及ぼす。冷媒（示されてない）はコンジット３２を介して熱交換器３０に入る。熱交換器３０を通って循環する冷媒の温度と流れが制御され、空気の所望の温度に到達する。雰囲気温度が約２０℃である通常運転の間に、冷媒は、だいたい約６０〜８０℃に維持される。
【００１９】
水蒸気移送ユニット２３は、カソード出口１５内の空気の一部からコンジット２６内の空気流へ水分を移送することによって燃料電池スタック１０に送り込む前に、空気を加湿する。燃料電池スタック１０の運転を最適化するために空気の湿度を制御することが望ましい。さらに、加湿プロセスを促すために、加湿器２８および水蒸気移送ユニット２３に入る空気の温度を維持することが望ましい。加湿器２８に入る空気の温度は、入口温度センサ２５によって測定され、接続２７を介して制御システム１６に伝えられる。
【００２０】
本明細書に図示された実施形態では、弁３６、３８を含む弁配列３５が、加湿器２８および水蒸気移送ユニット２３に入る空気の温度を所望の温度に維持する。全燃料電池システムを冷却するのに使用される冷媒の一部が、燃料電池システムの冷媒ループ５８から弁配列３５に入る。制御システム１６は、接続５６を介してバイパス弁３６を、接続５４を介して冷却弁３８を配置する。バイパス弁３６は選択的に、冷媒を第２冷却熱交換器５１にバイパスさせ、熱交換器３０に流れ込ませる。冷媒がコンジット５２を介して熱交換器３０に流れ込む前に、冷却弁３８は選択的に、コンジット５０を介して第２冷却熱交換器５１へ冷媒を流入させる。冷媒は、熱交換器３０を移動した後、出口コンジット３１を介して燃料電池システムの冷媒ループ５８に戻される。加湿器２８に流れ込む空気流の所望の温度が、弁３６、３８を通る冷媒の流れを制御器１６を使って均衡させることによって維持される。本発明の範囲を逸脱せずに、さらに、弁配列３５が、弁の異なる数量と配置を含んでよいことを理解されたい。
【００２１】
この実施形態では、弁３６、３８を通る冷媒の流れを均衡させ、加湿器２８に入る空気流の温度を所望の温度に維持するために、遅いデューティサイクル手法に類似の、どれだけ長くバイパス弁３６と冷却弁３８が開であるかを選択することが最初に必要である。例えば、最大の弁開放時間が４秒である場合、弁に関する７５％デューティサイクルでは、３秒開、１秒閉に相当する。本発明を説明するために、最大開時間が選択されていると仮定され、制御は、もっぱらデューティサイクルの点から見て説明されることになる。
【００２２】
図２では、弁指令方法７０の極限が示されており、システム制御器１６は、熱交換器３０を通る一定の冷媒の流れを維持しない。燃料電池スタック１０をコールド状態から始動するなどの状況のなかでは一定の冷媒の流れを維持しないことが望ましい場合もある。
【００２３】
例えば、表１に示したように、熱交換器３０に入る空気の温度が、システムの冷媒ループ５８内の冷媒の温度より高い場合、制御システム１６は表１の最大加熱（１）を実施する。バイパス弁３８に対する０％デューティサイクルおよび冷却弁３６に対する０％デューティサイクルにより、燃料電池システム冷媒ループ５８から熱交換器３０への冷媒の流れを制限し、低い温度の冷媒によって冷却されることなく、より暖かい空気が加湿器２８に流れ込むことを可能にする。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
燃料電池システムが低出力またはアイドルで運転している場合、効率および燃料消費を改善するために、制御システム１６が、表１の最大加熱（１）を実施することがさらに望ましい場合もある。圧縮機２２によって圧縮された空気の温度は、概して、実質的に雰囲気温度を超えて高くならず、燃料電池システムが低出力またはアイドルで運転している場合、熱交換器３０内の冷媒の温度より低いままである。一般的には、燃料電池システムでは、熱交換器３０に入る、より冷たい空気が燃料電池システム冷媒ループ５８内の冷媒の温度を低下させるので、アイドルおよび低出力運転の間、燃料電池スタック１０の温度を維持するために余分の燃料を使うことを要求される。最大加熱（１）を実施することで、燃料電池システム冷媒ループ５８から熱交換器３０に入る冷媒の流れを制限し、燃料電池システム冷媒ループ５８内の冷媒の温度を減少させずに冷たい空気が加湿器２８に流れ込むことを可能にする。カソード出口１５内の気体からの水分が、水蒸気移送ユニット２３内の空気に移送されるときに、コンジット２６内の空気の温度は増加することになる。
【００２６】
システムの冷媒ループ５８内の冷媒の温度が、熱交換器３０に入る空気の温度より高い場合、制御システム１６は、表１の最大加熱（２）を用いて弁配列３５を制御する。バイパス弁３８に対する１００％デューティサイクルおよび冷却弁３６に対する０％デューティサイクルにより、冷媒が第２冷却熱交換器５１を通過せずにシステムの冷媒ループ５８から熱交換器３０へ流れ込むことを可能にし、したがって加湿器２８に入る前の空気の温度を上昇させることを可能にする。図２は、弁指令方法７０の極限に対する弁デューティサイクルを図示している。
【００２７】
代替的実施形態では、弁配列３５を制御する弁指令方法７０の極限は、普通にはＰＩＤ制御器（図示されていない）呼ばれる比例−積分−微分制御器を用いて実施することができる。表１は、制御システム１６が実施するバイパス弁３６および冷却弁３８のデューティサイクルに対してＰＩＤ制御器の制御出力の換算を示す。ＰＩＤ制御器出力は、最大加熱（１）と最大冷却の間の飽和制御である。システムの冷媒ループ５８の冷媒温度が、圧縮機２２から出る空気の温度より高い場合、ＰＩＤ制御器は最大加熱（２）で開始する。
【００２８】
図３は、燃料電池システムの電流密度８０が、０．５Ａ／ｃｍ２〜１Ａ／ｃｍ２の間で任意に変動する場合に、弁指令制御方式の極限の結果を示す。図３は、所望のカソード空気温度８４が厳密に制御温度８２の跡をたどっており、弁指令方法７０の極限が望ましい結果をもたらすことを実証している。
【００２９】
図２は、やはり、代替的制御方法、同期作動制御方法７２に対する冷却弁３８およびバイパス弁３６のデューティサイクルのグラフを示し、制御システム１６は、熱交換器３０を通る一定の冷媒の流れを維持している。熱交換器３０を通る冷媒の一定の流れを維持するためには、冷却弁３８とバイパス弁３６の同期作動が望ましい。
【００３０】
例えば、所望の制御がバイパス弁３６に対し２５％デューティサイクル、冷却弁３８に対し７５％デューティサイクルである場合、熱交換器３０へ確実に冷媒の一定の流れがあるためには、バイパス弁３６は全デューティサイクルの最初の２５％に対してだけ開であり、冷却弁３８は全デューティサイクルの残りの７５％に対してだけ開である。
【００３１】
同期作動制御方法７２は用途依存であり、熱交換器３０が最高の効果をあげるのに一定の冷媒の流れを要する場合に望ましいことがある。
前述の説明から、普通の当分野の技術者は本発明の本質的特性を容易に確認することができ、本発明の趣旨と範囲を逸脱せずに、種々の用途および条件に適応させるために本発明に様々の変更と修正を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態による燃料電池システムの概略ブロック図である。
【図２】図１に図示した燃料電池システムに対する全デューティサイクルの百分率として弁指令のプロットを示すグラフである。
【図３】摂氏温度対時間で実際の温度制御と比較した図１に図示した燃料電池システムのカソードの所望の空気設定値のプロットを示すグラフである。
【図４】水蒸気移送ユニットの断片的透視図であり、図１に示した本発明の実施形態による付随した構成要素を概略的に示す。
【符号の説明】
【００３３】
１０  燃料電池スタック
１２  アノード側
１４  カソード側
１５  カソード出口
１６  制御システム
１８  接続
２０  モータ
２２  圧縮機
２３  水蒸気移送ユニット
２４  カソード入口
２５  入口温度センサ
２６  コンジット
２７  接続
２８  加湿器
３０  熱交換器
３２  コンジット
３５  弁配列
３６  バイパス弁
３８  冷却弁
４０  コンジット
４２  コンジット
５０  コンジット
５１  第２冷却熱交換器
５２  コンジット
５４  接続
５６  接続
５８  燃料電池システム冷媒ループ
７０  弁指令方法
７２  同期作動制御方法
８０  燃料電池システム電流密度
８２  制御温度
８４  所望のカソード空気温度
【図１】
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【図２】
2008147184.tif 000005
【図３】
2008147184.tif 000006
【図４】
2008147184.tif 000007
【外国語明細書】
2008147184000001.pdf