(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料流および酸素流から電力を生成するように構成された燃料電池組立体を有する燃料電池システムを動作させる方法において、上記方法は第１フェーズおよび後続の第２フェーズを有し、
上記第１フェーズは、
電力を生成するために、燃料流に対する酸素流の第１の化学量論的比で、かつ第１の燃料供給圧力で、上記燃料電池組立体を動作させるステップと、
生成された上記電力をヒータ要素に供給して冷却剤を加熱するステップとを有し、
上記第２フェーズは、
上記第１フェーズにおいて加熱された上記冷却剤を上記燃料電池組立体に搬送開始するステップと、
電力を生成するために、燃料流に対する酸素流の第２の化学量論的比で、かつ第２の燃料供給圧力で、上記燃料電池組立体を動作させるステップとを有し、上記第２の化学量論的比は上記第１の化学量論的比より小さく、上記第２の燃料供給圧力は上記第１の燃料供給圧力より大きいことを特徴とする、上記方法。
【請求項２】
上記燃料電池システムは、さらに、冷却剤を貯蔵する冷却剤貯蔵モジュールと、上記冷却剤貯蔵モジュール中の冷却剤を加熱する上記ヒータ要素と、上記冷却剤貯蔵モジュールから上記燃料電池システムへ上記冷却剤を搬送する冷却剤搬送経路とを有する請求項1記載の方法。
【請求項３】
上記第２フェーズは、生成された上記電力を上記ヒータ要素または異なるヒータ要素に供給して冷却剤を加熱して上記燃料電池組立体に供給する請求項１記載の方法。
【請求項４】
上記第１フェーズにおいて、上記燃料電池組立体を動作させるステップは、上記第１フェーズが上記燃料電池システムの始動フェーズを有するように、オフ状態から上記燃料電池システムを動作させることを有する請求項１記載の方法。
【請求項５】
上記方法は、上記燃料電池システムの温度を決定するステップを含み、決定された上記温度が予め定められた温度より小さいならば、上記第１および上記第２フェーズを実行し、上記温度が上記予め定められた温度より大きいならば上記ヒータ要素に電力を供給することなく上記燃料電池システムを動作させる請求項１記載の方法。
【請求項６】
１または複数の基準が満たされたときに、上記第１フェーズが終了し、上記第２フェーズが始まり、上記基準は、（ｉ）予め定められた量の液体冷却剤が上記燃料電池組立体への搬送に利用可能であること、（ｉｉ）予め定められた量の電力が上記ヒータ要素に供給されたこと、（ｉｉｉ）上記ヒータ要素が、予め定められた時間の間、設定点電圧を上回って動作したこと、（ｉｖ）上記燃料電池組立体を通じて流れる、または上記燃料電池組立体から排出される酸素流の温度が予め定められた酸素温度を上回ること、（ｖ）上記燃料電池組立体の温度が予め定められた組立体温度を上回ることを含む請求項１記載の方法。
【請求項７】
上記第１フェーズにおいて、上記燃料電池組立体を動作させるステップは、上記組立体を予め定められた電流または電力出力で動作させることを有する請求項１記載の方法。
【請求項８】
上記第１フェーズにおいて、上記燃料電池組立体を動作させるステップは、上記燃料電池組立体の出力電力を徐々に増加させて上記予め定められた電流または電力出力に合致させることを有する請求項７記載の方法。
【請求項９】
燃料電池組立体動作の計測値に基づいて、上記予め定められた電流または電力出力が修正され、および／または、電流出力の徐々の上昇が能動的に制御される請求項７または８記載の方法。
【請求項１０】
上記燃料電池組立体は複数の燃料電池を含み、上記燃料電池組立体動作の計測値は、燃料電池またはグループの燃料電池の最小電圧、または上記組立体を形成する上記複数の燃料電池の燃料電池電圧の標準偏差値、または上記燃料電池組立体を形成する上記複数の燃料電池の平均電池電圧のうちの１つまたは複数を有する請求項９記載の方法。
【請求項１１】
上記第１フェーズの間に予め定められた量のエネルギを上記ヒータ要素に供給することに引き続いて、上記ヒータ要素と異なるヒータ要素を起動させる請求項１記載の方法。
【請求項１２】
上記第２フェーズの間に、上記冷却剤を上記燃料電池組立体に搬送するステップは、上記冷却剤を第１時間間隔の間に第１の速度で上記冷却剤を搬送し、引き続いて、上記第１の速度と異なる第２の速度で上記冷却剤を上記燃料電池組立体に搬送することを有する請求項１記載の方法。
【請求項１３】
上記第２フェーズにおいて、上記第２化学量論的比は上記燃料電池組立体への冷却剤の搬送の後に採用される請求項１記載の方法。
【請求項１４】
上記第１フェーズにおいて、上記燃料電池組立体により生成された電力は、また、上記酸素を上記燃料電池組立体へと駆動するための酸素コンプレッサへ供給される請求項１記載の方法。
【請求項１５】
上記第２フェーズにおいて、上記燃料電池組立体を動作させるステップは、上記第１フェーズの間の電力より大きな電力で上記燃料電池組立体を動作させることを有する請求項１記載の方法。
【請求項１６】
上記第２フェーズは、上記異なるヒータ要素に予め定められた量の電力を供給するまで、かつ／または、上記異なるヒータ要素が予め定められた量の時間だけ設定点電圧を越える電圧で動作させられるまで、生成された上記電力を上記異なるヒータ要素に供給して上記燃料電池組立体へ供給する冷却剤を加熱する請求項３記載の方法。
【請求項１７】
上記燃料電池組立体は複数の燃料電池を含み、上記第２フェーズの間に、上記方法は、上記組立体における燃料電池の電圧を監視して任意の１つまたはグループの燃料電池による最小電圧を決定し、決定した上記最小電圧が予め定められた最小電池電圧を下回るかどうかを決定し、下回る場合は冷却剤を上記燃料電池組立体へ供給する速度を増加させるステップを含む請求項１記載の方法。
【請求項１８】
燃料流および酸素流から電力を生成し、冷却用の冷却剤を受け取るように構成された燃料電池組立体を有する燃料電池システムにおいて、上記燃料電池システムは、さらに、冷却剤を貯蔵する冷却剤貯蔵モジュールと、上記冷却剤貯蔵モジュール中の冷却剤を加熱するヒータ要素と、上記冷却剤貯蔵モジュールから上記燃料電池システムへ上記冷却剤を搬送する冷却剤搬送経路とを有し、上記燃料電池システムは、請求項１〜１７のいずれかに記載の方法に従って動作するように構成されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１９】
上記ヒータ要素は上記冷却剤貯蔵モジュール内に位置づけられる請求項１８記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
燃料流および酸素流から電力を生成し、冷却用の冷却剤を受け取るように構成された燃料電池組立体を有する燃料電池システムにおいて、上記燃料電池システムは、さらに、冷却剤を貯蔵する冷却剤貯蔵モジュールと、上記冷却剤貯蔵モジュール中の冷却剤を加熱するヒータ要素と、上記冷却剤貯蔵モジュールから上記燃料電池システムへ上記冷却剤を搬送する冷却剤搬送経路と、上記ヒータ要素と離間された異なるヒータ要素とを有し、上記ヒータ要素および上記異なるヒータ要素の双方が上記冷却剤貯蔵モジュール内に位置決めされ、上記燃料電池システムは、請求項１〜１７のいずれかに記載の方法に従って動作するように構成されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２１】
プロセッサおよびメモリを具備する計算機装置において実行される命令を含む、コンピュータプログラムであって、上記計算機装置は、燃料電池システムを制御するコントローラに実装され、上記燃料電池システムは、燃料流および酸素流から電力を生成し、冷却用の冷却剤を受け取るように構成された燃料電池組立体を有し、さらに、冷却剤を貯蔵する冷却剤貯蔵モジュールと、上記冷却剤貯蔵モジュール中の冷却剤を加熱するヒータ要素と、上記冷却剤貯蔵モジュールから上記燃料電池システムへ上記冷却剤を搬送する冷却剤搬送経路とを有し、上記命令は請求項１〜１７のいずれかに記載の方法に従って上記燃料電池システムを動作させるように構成されることを特徴とするコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池組立体および冷却剤貯蔵タンクを有する燃料電池システムの動作方法に関する。この発明は、また、それら燃料電池組立体および冷却剤貯蔵タンクを含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
慣用的な電気化学燃料電池は燃料および酸素を電気エネルギおよび反応生成物に変換する。通常のタイプの電気化学燃料電池は膜電極組立体（ＭＥＡ）を有し、これが、アノードおよびカソードの間のポリマー製イオン伝達膜とガス拡散構造とを有する。燃料、例えば水素、および、酸素、例えば空気からの酸素がＭＥＡのそれぞれのサイドを越えて通り抜け、電気エネルギと反応生成物としての水を生成する。スタック構造が、多くのそのような燃料電池を個別のアノードおよびカソード流体流路中に配列して形成されて良い。そのようなスタックは、典型的には、当該スタックの各端部において端部プレートによって一体に保持される多数の個別の燃料電池プレートを有するブロックの形態をとる。
【０００３】
ポリマー製のイオン伝達膜は効率的な動作のために水和状態に維持されることは重要である。また、スタックの温度が制御されることが重要である。このため、冷却剤がスタックに供給されて冷却および／または水和が行われる。したがって、燃料電池システムは、例えば、水和および／または冷却のために、水／冷却剤貯蔵タンクを含んで良い。燃料電池システムが氷点下状況で保持されまたは動作させられるならば、燃料電池スタックおよび水貯蔵タンク内の水は凍っている。凍った水は、冷却または水和のための水が燃料電池スタックに供給されるのを妨げる障害になる。これは、とくに、燃料電池システムがオフであり、そのため、水貯蔵タンク中の水がスタックを通じて流れることによる加熱が、もはや、行われなくなり、完全に凍ってしまうときに、問題になる。そのような場合、十分な液状の水が水和および／または冷却のために利用できない。これは、凍った水が溶けるまで、燃料電池組立体が再稼働またはフルパワーで動作するのを阻止する。燃料電池システム中にヒータを設けることが知られており、これは、貯蔵されたエネルギ、例えばバッテリからのエネルギで動作し、燃料電池システムを、ゼロを上回る温度に維持して凍結を阻止する。しかしながら、バッテリ電源には制限があり、燃料電池システムは、バッテリが故障したり、放電状態になったりすると、凍結してしまう。
【発明の概要】
【０００４】
この発明の第１の側面によれば、燃料流および酸素流から電力を生成するように構成された燃料電池組立体を有する燃料電池システムを動作させる方法が提供され、この方法は第１フェーズと後続の第２フェーズとを有し、第１フェーズは、
酸素流の燃料流に対する第１の化学量論的比で燃料電池組立体を動作させて電力を形成するステップと、
上記生成した電力をヒータ要素に供給して上記冷却剤を加熱して上記燃料電池組立体に供給するステップとを有し、
第２フェーズは、
第１のフェーズで加熱された冷却剤を燃料電池組立体に配送するステップと、
酸素流の燃料流に対する第２の化学量論的比で燃料電池組立体を動作させて電力を形成するステップとを有し、第２の化学量論的比は第１の比より小さい。
【０００５】
これは、蒸発で冷却された燃料電池組立体（例えば燃料電池スタック）を凍結状態で始動させるための有益な方法である。このシステムは典型的には液体冷却剤を含有する冷却剤貯蔵モジュールを含み、液体冷却剤は寒冷条件では凍結することがある。第１の化学量論的比は、燃料電池組立体自体がヒータに給電して凍結状態の冷却剤を解凍させるのに十分な電力が生成可能なように燃料電池組立体を十分に冷却するように選ばれて良い。液体の冷却剤はその後に配送でき、化学量論的比は減少されて効率を改善させ冷却剤の解凍を続ける。第１フェーズは、燃料電池システムが動作し、冷却剤を燃料電池システムに放出するのに冷却剤の予め定められた量を解凍する条件を実現できるので、有益である。解凍済みの冷却剤を冷却剤貯蔵モジュール中に維持し、同時により多くの冷却剤が解凍され、さらに解凍された冷却剤が加熱されることは、有益であり、これは、解凍された冷却剤が、組立体に至る菅の中で再凍結する可能性が少なく、第２フェーズの信頼にたる始動に、予め定められた量の冷却剤を利用可能にするからである。
【０００６】
オプションとして、第２フェーズは、上記の生成電力を上記のヒータ要素または異なるヒータ要素に供給して冷却剤を加熱して上記燃料電池組立体に供給するステップを含む。この異なるヒータ要素は第２フェーズを活性化させるために設けられて良い。これは、第２のヒータ要素が冷却剤貯蔵モジュールの異なる場所に位置決めされて異なる領域の冷凍状態の冷却剤を解凍できるので、有益である。代替的には、同一のヒータ要素を第２フェーズで活性化させて良く、また、複数のヒータ要素を組み合わせて良い。ヒータ要素、または、複数のヒータ要素は、オーミックヒータ、燃焼ヒータ、ヒートパイプ、または熱交換器であって良く、これは、燃料電池システムのより高温度の部分、例えば、酸素流コンプレッサから、より低温度の水貯蔵モジュールへと熱を移動させる。
【０００７】
オプションとして、この方法は、上記生成された電力の少なくとも一部を燃料電池システムの外部の負荷に第２フェーズでのみ供給するステップを有する。そして、第１フェーズでは、燃料電池を動作させるのに必要な電力（すなわち寄生負荷）を越えて利用可能な電力がヒータ要素に供給されて冷却剤を解凍して良い。代替的には、生成された電力のうちの、予め定められた最小持ち分または最小絶対量がヒータ要素に供給されて良い。このため、冷却剤の解凍が少なくとも第１フェーズでは第１優先とされ、できれば、第２フェーズでもそうである。ヒータ要素が第１フェーズで利用可能な電力のすべてを必要としないのであれば、過剰な電力は他の用途に利用可能とされて良く、例えば、負荷に供給されて良く、この負荷は動力車、または動力車に関連する補助システムであって良い。
【０００８】
オプションとして、第１フェーズは、燃料流供給圧力を第１の圧力に設定することを含み、第２フェーズは燃料供給圧力を第１の圧力より大きな第２の圧力に設定することを含む。
【０００９】
オプションとして、第１フェーズにおいて、燃料電池システムを動作させるステップは、燃料電池システムをオフ状態から動作させることを有し、例えば、第１フェーズは燃料電池システムの開始フェーズを有する。この方法は、ターンオフ中に凍結条件を経験したのちに、燃料電池システムを始動するのに極めて好適である。
【００１０】
オプションとして、この方法は、燃料電池システムの温度を決定し、決定した温度が予め定められた温度より低いならば、第１および第２フェーズを実行し、温度が予め定められた温度より高いならば、電力をヒータ要素に供給することなく燃料電池システムを動作させるステップを含む。この方法は、決定された温度が予め定められた温度より高いならば第２側面の水注入制御装置を利用するように構成されて良い。燃料電池システムの温度は、冷却剤、例えば冷却剤貯蔵モジュール中の冷却剤の温度、または燃料電池システムを包囲する環境の温度を測定することにより決定されて良い。
【００１１】
オプションとして、１または複数の基準が満たされたとき第１フェーズが終了して第２フェーズが開始し、この基準は、（ｉ）予め定められた量の液体冷却剤が燃料電池組立体への搬送に利用可能であること、（ｉｉ）予め定められた量の電力またはエネルギがヒータ要素に供給されたこと、（ｉｉｉ）ヒータ要素が予め定められた時間だけ設定点電圧を越えていること、（ｉｖ）燃料電池組立体を通る酸素流の温度、例えば、カソード排出温度が予め定められた酸素温度を上回ること、（ｖ）燃料電池組立体の温度、例えば、ハウジング、あるいは、他の外部または内部部品の温度が予め定められた組立体温度を上回ることを含む。これらの基準（および潜在的には他の基準）は、第２フェーズにおける燃料電池動作や燃料電池組立体への冷却剤の供給にどの程度利用できそうかを示す。
【００１２】
オプションとして、第１フェーズにおいて、燃料電池組立体を動作させるステップは、上記組立体を予め定められた電流出力で動作させることを有する。予め定められた電流出力は、燃料電池組立体の最大出力より小さい電流出力を含んで良い。
【００１３】
オプションとして、第１フェーズにおいて、燃料電池組立体を動作させるステップは、燃料電池組立体の電流出力を徐々に増加させて予め定められた電流出力に合致させることを有する。電流出力のランプ上昇は、適切な量の電力がヒータ要素に供給されるのを確実にしつつ燃料電池組立体に渡って電気バランスを維持するのの有益であることがわかった。
【００１４】
オプションとして、予め定められた電流出力は、変更され、かつ／または、電流出力の漸近的な増加は燃料電池組立体の動作の計測値に基づいて能動的に制御される。オプションとして、燃料電池組立体は、複数の燃料電池を含み、燃料電池組立体の動作の計測値は燃料電池または燃料電池組立体を形成する複数の燃料電池のうちのグループの燃料電池の最小電圧を有する。このため、必要な電流出力に応じて燃料電池組立体の動作を監視して、冷却剤の供給を受けることなく燃料電池組立体が過剰な負荷を与えられないようになされる。
【００１５】
オプションとして、第１フェーズの間に予め定められた量のエネルギをヒータ要素に供給するのに続けて、当該ヒータ要素と異なる、第２のヒータ要素を活性化させる。これは当該ヒータ要素をオフに切り替えることを含んで良い。
【００１６】
オプションとして、第２フェーズの間に、冷却剤を燃料電池組立体に搬送することは、第１の期間に第１の速度で冷却剤を配送すること、また、これに続いて、第１の速度より遅い第２の速度で冷却剤を搬送することを有する。当初の大きな流速は有益であり、なぜならば、これが、迅速に冷却剤ラインを構築し、燃料電池組立体を水和し、冷却するからである。第３、または、さらなる流速を採用して良いことに留意されたい。
【００１７】
オプションとして、第２フェーズの間に、冷却剤の燃料電池組立体への搬送が終了したのちに、第２の化学量論的比が採用される。このため、酸素流を利用した冷却が、液体冷却剤が燃料電池組立体に供給されるまで維持される。
【００１８】
オプションとして、第１フェーズの間に、燃料電池組立体は冷却剤の供給を受ける。そのため、第１フェーズは、冷却剤貯蔵モジュール中の多量の冷却剤を第２フェーズの間に搬送するために解凍することに焦点が置かれる。
【００１９】
オプションとして、第１フェーズにおいて、燃料電池組立体によって生成された電力が酸素を燃料組立体に押し出すために酸素コンプレッサに供給される。そして、化学量論的比が、空気をカソード通路を通じて燃料電池組立体に押し出すように構成されたコンプレッサの制御によって、制御されて良い。
【００２０】
オプションとして、第２フェーズにおいて、燃料電池組立体を動作させるステップは、第１フェーズの間よりも大きな電力出力で燃料電池組立体を動作させることを有する。液体冷却剤が利用可能になると（例えばすべての冷却剤が解凍されていないので通常より少ない量であるけれども）、燃料電池組立体は大きな電力出力で動作させることができる。これは残っている凍結状態の冷却剤を解凍させるのを支援する。
【００２１】
オプションとして、第２フェーズは、異なるヒータ要素が予め定められた量の電力の供給う受けるまで、かつ／また、設定点電圧を越えて予め定められた時間だけを動作させられるまで、当該異なるヒータ要素に、生成された電力を供給して冷却剤を加熱してこれを燃料電池組立体に供給する。
【００２２】
オプションとして、燃料電池組立体は、複数の燃料電池を含み、第２フェーズにおいて、当該方法は、組立体中の複数の燃料電池の電圧を監視して燃料電池の１つまたはグループによる最小電圧を決定し、決定した最小電圧が予め定められた最小電池電圧を下回るかどうかを決定し、もしそうであれば、冷却剤の燃料電池組立体への供給速度を増加させることを含む。当該方法は、冷却剤の燃料電池組立体への現行の流速が予め定められた最大値かどうか、および／または、冷却剤貯蔵モジュール中に、利用可能な冷却剤があるかどうかを決定して、もし、その一方または双方が真であれば、上記燃料電池組立体の負荷を減少させるステップを含んで良い。
【００２３】
燃料電池組立体を有し、当該燃料電池組立体は、燃料流および酸素流から電力を生成し、当該燃料電池組立体を冷却するための液体冷却剤を受け取るように構成された燃料電池システムが開示され、当該燃料電池システムは上述の方法に従って動作するように構成されている。
【００２４】
オプションとして、燃料電池システムは、冷却剤貯蔵モジュールを含み、ヒータ要素が冷却剤貯蔵モジュールにおいて位置決めされる。オプションとして、燃料電池システムは、ヒータ要素と、当該ヒータ要素と離間して配置される異なるヒータ要素とを含む冷却剤貯蔵モジュールを含み、双方のヒータ要素は冷却剤貯蔵モジュールにおいて位置決めされる。冷却剤貯蔵モジュールは複数の室部を有して良く、当該ヒータ要素および他のヒータ要素は別の室部に位置決めされる。これは、任意の１つのヒータ要素が解凍する必要がある冷凍状態の冷却剤の体積を限定する。
【００２５】
燃料電池システムは、第１フェーズの方法ステップを実行するように構成された制御装置を含んで良いことに留意されたい。
【００２６】
他の側面によれば、プロセッサおよびメモリを具備するコンピューティング装置上で上述の方法を実行するための処理命令を含むコンピュータプログラム製品が提供される。
【００２７】
燃料電池システム用の冷却剤注入制御装置が開示され、この冷却剤注入制御装置は、燃料電池組立体動作の計測値に応じて燃料電池組立体の冷却および／または水和のための上記燃料電池組立体への冷却剤の流れを動的に制御するように構成されている。
【００２８】
燃料電池組立体に供給される冷却剤の動的な制御は有益であり、これは、冷却剤の流れが燃料電池組立体の信頼性が高く効率的な動作を確実にするように制御されるからである。
【００２９】
オプションとして、燃料電池組立体動作の計測値は、燃料電池組立体の電気出力の計測値を有する。
【００３０】
オプションとして、燃料電池組立体動作の計測値は、燃料電池組立体を通り抜ける反応物の流れの温度の計測値を有する。具体的には、反応物の流れは排出流、例えばカソード排出流を含んで良い。
【００３１】
オプションとして、上記冷却剤注入制御装置は、上記燃料電池組立体動作の計測値が予め定めた閾値を下回るときに第１モードの動作を提供し、上記燃料電池組立体動作の計測値が上記予め定めた閾値を上回るときに第２モードの動作を提供するように構成され、上記第１および上記第２モードは異なる冷却剤注入プロフィールを有する。これは、当該発明が、冷却剤注入の正確な制御を実現し、もって、過剰な冷却剤が提供されないことを確実にすることができる点で、有益である。ただし、小さな流速、例えば、燃料電池組立体が低出力のときに必要とされる、小さな流速を測定することが困難であろうことが見出されている。したがって、異なる冷却剤注入プロフィールが正確性のレベルを維持するために採用されて良い。
【００３２】
オプションとして、上記第１モードの動作において、上記冷却剤注入プロフィールは少なくとも２つの異なる注入流れ速度の間を交番させる冷却剤注入を実現する。したがって、冷却剤は燃料電池組立体にパルス状に、高および低流速を用いて、供給されて良い。
【００３３】
上記第２モードの動作において、上記制御装置は、上記冷却剤の流速が燃料電池組立体動作の計測値に応じて徐々に制御される冷却剤注入プロフィールを提供するように構成される。制御は、燃料電池組立体動作の計測値と比例して良く、またステップ状に制御されて良い。オプションとして、上記制御装置は、上記冷却剤の流速を上記燃料電池組立体動作の計測値に応じて制御するクローズドループフィードバックを提供する。
【００３４】
オプションとして、上記第２モードの動作において、上記制御装置は、燃料電池組立体の動作の計測に基づいて、冷却剤の流速を徐々に制御するように構成される。
【００３５】
オプションとして、第２モードの動作では、当該制御装置は、上記冷却剤の流速が最大閾値速度に到達することに応じて、上記燃料電池組立体の電力出力を減少させるように構成される。そのため、冷却剤の流れが燃料電池動作を制限内に維持できないならば、燃料電池組立体の電力出力は減少される。
【００３６】
以下、事例としてのみ、この発明の実施例の詳細な説明を以下の図を参照して行う。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】事例の燃料電池システムの模式図を示す。
【図２】この燃料電池システムの動作方法を示す第１のフローチャートである。
【図３】この燃料電池システムの動作方法を示す第２のフローチャートである。
【図４】この燃料電池システムの動作方法を示す第３のフローチャートである。
【図５】この燃料電池システムの動作方法を示す第４のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図は燃料電池システム１を示し、これは燃料電池組立体２および冷却剤貯蔵モジュール３を有する。この例における燃料電池組立体２は、一緒に積み上げられた複数のプロトン交換膜燃料電池を含む燃料電池スタックを有する。燃料電池組立体２は蒸発で冷却される燃料電池組立体を有する。この例において、冷却剤は水を有するけれども、他の冷却剤、例えば、グリコールまたは水性溶液を用いて良い。冷却剤または水貯蔵モジュール３は、この例において、燃料電池組立体２の水和および／または蒸発冷却するための純水を貯蔵する。
【００３９】
万一、冷凍条件下になると、モジュール３中の水が凍結するかもしれない。システム１は、システム１の電源が落ちているときに氷点以上に維持するための補助的なヒータを含まない、また使用しないかもしれない。システム１を再始動するときに、燃料電池スタック２を冷却するために、および／または、スタックの燃料電池を形成する燃料電池膜を水和するために、水が必要になるかもしれない。そして、タンク１中の水が凍ったならば、それを迅速に解凍してスタック３が利用できるようにしなければならない。開示される当該システムは、そのような外部の低電圧または高電圧電源も必要とせず、自ら生成した電力の下で液体冷却剤を利用可能にするように動作する。氷を解凍するのに必要な電力が組立体／スタック自体により生成され、バッテリを消耗させるのでないので、これは有益である。バッテリは低温では性能が落ちることが知られており、したがって、燃料電池組立体の電力を用いるのは有利である。
【００４０】
燃料電池組立体２は、水素のような燃料の流れをアノード入口４で受け取り、空気のような酸素の流れをカソード入口５で受け取るように構成されている。アノード排出口６が燃料の流通を可能にするように設けられる。カソード排出口７が酸素の流通を可能にするように設けられる。排出の流れは反応副産物および組立体２を通過した任意の冷却剤／水和液体も運ぶことに留意されたい。カソード排出口７は冷却剤セパレータ８を含んで冷却剤（水）をカソード排出流から分離させて良い。分離された水は冷却剤貯蔵モジュール３に貯蔵される。これ例はスタックを通過する水冷却剤を再利用することを示すけれども、この発明は冷却剤を再利用しないシステムまたは異なる態様で冷却剤を再利用するシステムにも適用可能であることに留意されたい。
【００４１】
冷却剤貯蔵モジュール３は管によって燃料電池組立体に連結されているけれども、モジュール３はスタック中の燃料電池と一体化されて良いことに留意されたい。冷却剤貯蔵モジュール３はカソード入口５に連結されて冷却剤をカソード流に導入するのを可能にして燃料電池組立体２を蒸発冷却する。冷却剤は個別の管によってスタックに案内されて良い。
【００４２】
冷却剤注入制御装置１０は冷却剤貯蔵モジュールから燃料電池組立体２への冷却剤の流れを制御するために設けられる。冷却剤注入制御装置１０は、制御信号をポンプ１１に供給して水の燃料電池組立体２への搬送を制御して良い。また、制御装置１０は１または複数のセンサ１４によって得た、燃料電池組立体２の性能に関する１または複数の計測値を受け取って良い。
【００４３】
ヒータ要素１２、１３は、第１のヒータ要素１２と、これから離間された第２のヒータ要素１３とを有する。冷却剤貯蔵モジュール３は燃料電池組立体に冷却剤を供給するように構成され、各々が１または複数のヒータ要素を具備する複数の冷却剤貯蔵タンクを有して良い。当該１または複数のヒータ要素は電気的に出力駆動され、また、燃焼エネルギで駆動されて良い。さらに、これらは熱消散要素を有して良く、この要素はヒートパイプまたは熱交換器を含んで良く、これが燃料電池システムの一部から他の部分に熱を移動させる。例えば、燃料電池システムを通じて酸素を駆動するコンプレッサは、燃料電池組立体の起動後に比較的迅速に温まり、このため、コンプレッサから冷却剤貯蔵モジュールへと熱交換器を用いて熱を移動させ、流体および／またはヒートパイプを作動させることは有益である。
【００４４】
冷却剤注入制御装置１０は燃料電池システムのさらなる動作を制御するための燃料電池システム制御装置１５の一部として形成して良い。
【００４５】
ここで図２を参照すると、燃料電池システム１の動作方法の例が示される。この方法は燃料電池システム制御装置１５によって実行されて良い。この動作方法は、燃料電池システムが低温または冷凍環境条件下で使用されるときに有効に始動できるように実行される。低温または冷凍環境下では、燃料電池システムが必要とする冷却剤が、冷却剤貯蔵モジュール３において冷凍されているので、利用できないかもしれない。燃料電池システムが冷凍の可能性を識別し、もって、その動作を修正して燃料電池システムを信頼性高く、始動可能にすることが重要である。これは、燃料電池システム１が動力車に対して原動力を供給するときに、とりわけ重要である。動力車のユーザは、燃料電池システムが信頼性高く始動し、広範囲の動作環境において動力車に対して有効な動力を供給できることを期待する。燃料電池組立体が効率よく動作するために必要な、冷却剤のようなリソースが利用できない、少なくとも初期状態で利用できないならば、これは課題となる。
【００４６】
図２はステップ２０を示し、これは燃料電池システム１をオンに切り替えて燃料電池組立体２を動作させる。これは、制御装置１０のような電気システムの電源立ち上げを含んで良い。これは、入口４、５による燃料電池組立体２への燃料および酸素の供給を開始して良く、また、これは、以下で検討するステップ２１の後で実行されて良い。後に検討されるように、燃料および酸素の相対的なフローレートは具体的な化学量論比を実現するように制御されて良い。
【００４７】
ステップ２１は、燃料電池システム１の温度の決定を示す。そして、燃料電池システム制御装置１５は、温度センサ１４を用いて燃料電池システムの周りの１または複数の位置で、例えば、スタックまたは水貯蔵モジュール３および／またはシステム１の周囲環境において温度を決定する。決定した温度、または複数の温度計測値の最小または最大または平均が予め定められた温度閾値と比較されて冷却剤が凍結されているリスクを決定する。この実施例において、予め定められた温度閾値は１０℃未満の温度に設定される。決定された温度が予め定められた温度より低いならば、当該方法は、通常動作モードに入る前に、ステップ２２および２３で表される２フェーズ方法を用いてシステムを動作させ、これは以下により詳細に検討される。測定された温度が予め定められた温度より大きいか、等しいならば、燃料電池システムはステップ２４で表される「通常動作モード」で動作させられる。通常動作モードでは、燃料電池システムはヒータ要素１２、１３に電力を供給しなくてよく、これは以下に詳細に検討される。予め定められた温度は、燃料電池システムが必要とする冷却剤または他の凍結可能な資源の凍結点に関係する、０、１、２、３、４、５、６、７℃または他の値であって良いことに留意されたい。
【００４８】
ステップ２５は、燃料電池システムの遮断、例えば、燃料および酸素の停止を表す。ステップ２６は、燃料電池システム制御装置１５が、温度センサを用いて、燃料電池システムおよび／またはシステム１のまわりの周囲環境の温度を決定することを表す。検出された温度が上述の温度閾値または他の温度閾値より小さいならば、低温遮断動作がステップ２７で示すように実行される。他の実施例において、制御装置１５は、インターネットを用いて天候予報を取り出し、潜在的な周囲温度を決定するように構成されて良く、また、システム１は、当該予報に基づいて、低温遮断ルーチン２７を実行するかどうかを決定して良い。ルーチン２７は、コンプレッサ（図示しない）を起動させて燃料電池組立体２中に残っているいずれの冷却剤または水を組立体２の外部に吹き飛ばし（空気またはパージ気体で）、できれば、冷却剤貯蔵モジュール３中へと吹き飛ばすことを有して良い。
【００４９】
図３および図４は、図２のステップ２２および２３で表した２フェーズ方法を詳細に示す。
【００５０】
図３は同時に起こる３つのプロセス３０ａ、３０ｂ、および３０ｃを示す。第１のプロセス３０ａは、全般的には、燃料電池システム１の開始時点で燃料電池組立体２の電気出力を増分的に増加させることを有する。電気出力は組立体２により電流出力を有して良い。したがって、燃料電池システムの電気出力は、ゼロ（オフされたとき）から、予め定められた電流出力へと増加させられ、これは燃料電池組立体２の最大電力出力を下回って良い。予め定められた出力は、組立体の最大出力電力または出力電流の７０、６０、５０、４０、３０、２０、または１０％を下回って良い。この例において、予め定められて出力電流閾値が採用される。予め定められた電流出力へと徐々に上昇する間、燃料電池の性能が計測されて、予め定められた電流出力または他の所望の電力出力への増分的増加が維持できるかどうかが判別される。
【００５１】
そして、燃料電池システム１を開始する際に、入口４に加わる燃料入口圧力がステップ３２に示すように予め定められた値に設定される。この例では、水素燃料入口圧力は０．１および０．８バールゲージの間の予め定められて第１圧力に設定され、これは第１フェーズの電力要件を実現するのに十分なように実験によって選択されて良い。燃料入口圧力は通常の動作条件（すなわち、燃料電池の動作温度が、例えば、温度閾値より高いとき）で使用される圧力より小さくて良い。
【００５２】
制御装置１５または注入制御装置１０は、つぎに、燃料電池組立体からの電力を使用して第１ヒータ１２を活性化させて良く、これはステップ３３により表される。これによって、ヒータ１２は冷却剤モジュール３中の冷却剤を加熱し、これは冷凍状態の冷却剤を含んで良い。
【００５３】
燃料電池組立体２における電気出力の増分的な増加をステップ３４および制御ブロック３５で示される。電気出力の増分的な増加は当業者に知られている多くの方法、例えば、燃料流速または酸素流速を増加させることによって実現して良い。
【００５４】
センサはセンサ１４によって表されて良く、組立体２中の個々の電池（または電池グループ）を横切る電圧を測定（３６）するように構成されて良い。ステップ３７は、組立体２中で最小電圧を具備する燃料電池を横切る電圧（「ＣＶＭ」電圧と呼ぶ）が閾値を下回るかどうか決定することを有し、この電圧はＰＥＭ、水素、酸素の燃料電池については０．３Ｖであって良い。全般的には、ステップ３７は、１または複数またはすべての燃料電池の電気パラメータを評価することを有する。ＣＶＭ電圧または他の電気パラメータが閾値より低いならば、これは性能が悪い燃料電池またはオーバーヒートを示すかもしれない。したがって、制御装置は電流出力または組立体２の燃料電池組立体の負荷を低減して（ステップ３８）燃料電池組立体を復元できるように構成されて良く、これは制御ブロック３５の「−」側で表される。負荷の低減は、多くの態様、例えば代替的な電力源において負荷またはスイッチングを制御することにより実現して良い。決定された電圧が許容できるものであれば、当該方法は電流出力の増分的増加に進み、これはステップ３４において示される。
【００５５】
第２プロセス３０ｂは、燃料電池組立体によって生成された電流出力および電圧を決定し（ステップ４０）、燃料電池組立体２の電力出力を決定する（ステップ４１によって）。センサ１４によって表される電流／電圧センサを用いて良い。燃料電池組立体の寄生負荷４２、例えば、制御電気系および空気または燃料コンプレッサを考慮して第１ヒータ１２に供給される正味の電力をステップ４３において決定して良い。
【００５６】
ステップ４４は、第１ヒータ１２をいつ不活性化させるかを決定するために２つの計測値を用いる。具体的には、制御装置１５は、特定の量の電力またはエネルギがヒータ要素１２に供給されたかどうかと、電圧設定点を越える電圧が予め定められた時間間隔だけ第１ヒータ１２に供給されたかどうかとを決定するように構成されて良い。電流計、電圧計、または他のセンサを採用して良い。両基準が満たされるなら第１ヒータ１２がステップ４５においてオフに切り替えられる。そうでなければ、燃料電池組立体２から第１ヒータ１２への電力の供給が継続される。単一の計測値または複数の計測値の異なる組み合わせを用いていつ第１ヒータ１２を不活性化させるかを決定するのに採用してよいことに留意されたい。計測値は、予め定められた量の凍結冷却剤を解凍し、ヒータの周りの体積において解凍冷却剤を予め定められた温度に温めるのに必要なエネルギに関連付けて良い。
【００５７】
ステップ４５は、また、第１ヒータ１２と異なる第２ヒータ１３のオン切り替えを有する。
【００５８】
当該方法は、第１ヒータ１２がステップ４５でオフに切り替えられ、かつ、燃料電池組立体、または燃料電池組立体から出ていく排出ガスの温度が温度閾値に達するまで、上述した第１フェーズの動作に止まり、これをステップ４６で示す。この例において、温度閾値は１０、１５、２０、または２５℃またはそれ以上であって良い。温度センサ４７および決定ブロック４８は温度閾値が超過させられたかどうかを決定することを示す。
【００５９】
ステップ４６の基準は異なって良い。例えば、フェーズ１およびフェーズ２動作モードの間の遷移が、予め定められた量の冷却剤が燃料電池組立体に配送可能であるとき、および／または予め定められた量の電気力がヒータ要素へ供給されたとき、および／またはヒータ要素が予め定められた時間だけ設定点電圧を越えて動作させられたとき、および／または、燃料電池組立体の温度、または燃料電池組立体を通り抜ける燃料または酸素流の温度が予め定められた温度を越えたときに基づいて行われて良い。
【００６０】
ステップ４６において両条件が満たされるまで、当該方法は継続中の第３プロセス３０ｃを引き続き制御する。第３プロセス３０ｃは、第１プロセス３０ａおよび第２プロセス３０ｂと一緒に開始されて良いけれども、第２プロセスとリンクされている。
【００６１】
第３プロセス３０ｃは、開始ステップ４９において、酸素流速を予め定められた最小流速量に設定するステップを有する。予め定められた流速は、冷却剤を放出する前に十分に燃料電池組立体を確実に十分に冷却できるように実験によって決定されて良い。
【００６２】
当該方法は、つぎに、入口４、５に供給される酸素の燃料に対する、特定の第１の化学量論的比を実現するのに必要な酸素／空気流速を決定する（ステップ５０）。制御装置２５は、燃料電池組立体２の電流出力を用い、これはセンサ５１によって決定される。ステップ５０は、酸素／空気流速を制御して高い化学量論的比、例えば１０を上回る、または１５を上回る、または２０を上回る値を維持するように構成される。ステップ５０は、コンプレッサ（図示しない）を制御して所望の化学量論的比を満たすのに必要な酸素流速を実現することを表す。そして、空気流は、アノード入口４に供給される燃料の量と化学量論的にバランスするのに必要な量をはるかに上回る。空気は、液体冷却剤が水モジュール３から入手可能になるまで、燃料電池組立体１８を冷却するように働く。
【００６３】
上述の方法は、フェーズ１において、これにより、特定の量のエネルギが凍結冷却剤を解凍するために供給されて、燃料電池組立体に冷却剤を案内するのに先立って予め定められた量の冷却剤が利用できるようになすことを確実にする。これは、冷却剤の温度を増大させることができ、利用可能な量を多くして組立体２に至る菅を通じて搬送されるときに再凍結しないようにできるので、有益である。そして、液体冷却剤は、解凍されたのち、予め定められた量のエネルギがヒータ要素に供給されるまで冷却剤モジュール３中に保持されて良い。
【００６４】
上述したステップ４６において評価された条件が満たされると、当該方法は第２フェーズに進む。全般的には、第２フェーズにおいて、水冷却剤が燃料電池組立体２に供給され、化学量論的比が減少させられる。さらに、燃料電池組立体２の電力出力が、ステップ３４において特定された予め定められた電流出力を上回るように増加させられる。
【００６５】
当該方法は、第１フェーズにおいて加熱された冷却剤を、搬送するステップに進み、これはステップ５４ａ〜５４ｃに示す。冷却剤は、複数の順次に適用される流速で搬送されて良い。最初に高流速にしてこれに続けて低流速にすることが有益であることがわかった。これは、水ポンプ１１を迅速に開始させ（これは氷の形成を何ら含まず、かつ／または、どのような慣性にも打ち勝つことができる）、水搬送菅を準備し、燃料電池組立体（冷却剤または水和液体なしい動作していた）に迅速にこれを供給するという利点を持つ。ギャラリを含む燃料電池組立体は、個々の水貯蔵ボリュームを各燃料電池の能動領域に隣接させながら、これの上流に有しており、この燃料電池組立体においては、大きな初期流速がギャラリを満たし、つぎに、燃料電池の活性領域にわたって満たすことができる。
【００６６】
第１の例において、第１の期間中、当初大きな流速が供給され、つぎに、第２の期間に、より低い流速が続き、その後、さらに低い流速が続く。そして、３つの減少する流速からなる最初の水注入プロフィールは、この例において採用される。少なくとも２つの減少する流速も好ましい。第２の流速は、水貯蔵モジュール中に残っている解凍冷却剤の予測量に対する第２フェーズを終了させるのに必要な時間に基づいて決定して良い。水注入プロフィールの効果は、冷却剤ポンプに初期の高トルク値を供給し（ステップ５４ａ）、冷却剤貯蔵モジュールと組立体の間の冷却剤供給菅を準備し（ステップ５４ｂ）、つぎに、冷却剤ポンプを、閾値内または最小の冷却剤流速で動作させて組立体の温度を維持させる（ステップ５４ｃ）ことである。
【００６７】
化学量論的比はステップ５５に示すように減少する。この例において、化学量論的比は、例えば、１５未満、または１０未満、または５未満へと減少させられる。これに応じて、燃料流および酸素流の流速は所望の化学量論的比を実現するように設定される。
【００６８】
図４は、制御装置１５、１０によって実行される方法の第２フェーズの継続６０を示す。第２フェーズにおいて、第２ヒータ１３は、活性化されて良いけれども、この例では、これはステップ４５における第１ヒータ要素のオフ切り替えと組み合わさって活性化される。複数のヒータ要素１２、１３を設けると、第１ヒータ要素が凍結冷却剤の特定の領域を解凍するように位置づけることができ、他の離間されたヒータ要素が冷却剤貯蔵モジュール３における凍結冷却剤の他の領域を解凍できるので、有益である。そして、第１フェーズにおける第１ヒータ要素の動作は、十分なエネルギを第１ヒータ要素１２の近傍の凍結冷却剤の実質的にすべてを解凍するのに供給できるように、選択されていた。これは、モジュール中に残存している所定量の凍結状態の冷却剤を第２ヒータ要素１３により解凍することをそのままにしている。
【００６９】
第２フェーズにおいて、アノード入口４に加わる水素流入口圧力は増大する（ステップ６１）。これはより多くの燃料を燃料電池組立体２に供給して、組立体２の電力出力を増加可能にする。
【００７０】
ステップ６２は、燃料電池組立体の電力出力が燃料電池組立体の最大電力出力の実質的に５０％まで増分的に装荷することを示す。そして、燃料組立体が液体冷却剤の供給を受けると、これはより効率的に動作可能となり、その電力出力が増大可能になる。５０％の電力出力の目標がこの実施例では採用されたけれども、３０％、４０％、５０％、６０％、または７０％までの値が増分的増加ステップ６２の目標出力として選択されて良い。
【００７１】
制御装置１５、１０は燃料電池組立体２へ供給される冷却剤の量を決定するように構成され、これはステップ６３に示す。そして、水の累積量が監視されて良い。
【００７２】
第２ヒータ１３は、モジュール３中の冷却剤を、冷却剤の予め定められた量の冷却剤が解凍されるまで加熱するように、燃料電池組立体から電力を受ける。これは、ヒータ要素１３に供給されるエネルギまたは電力の量を計測すること、および／または、設定点を超える電圧が第２ヒータ１３に加えられた時間量を監視することによって決定されて良い。ステップ６４は、２つの基準を用いて第２ヒータ１３を不活性化させる時点を決定することを示す。具体的には、制御装置１５、１０は、特定の量の電力またはエネルギがヒータ要素１３に供給されたかどうか、および、設定点を超える電圧が予め定められた時間だけ第２ヒータ１３に供給されたかどうかを決定するように構成されて良い。ジュールカウンタおよび電圧計または他のセンサを採用して良い。量基準が満たされると、第２ヒータ１３はステップ６５でオフに切り換えられる。制御装置１０、１５は、つぎに、上述した「凍結冷却剤始動方法」のフェーズ２を終了して、通常動作モードに従って燃料電池組立体を制御するようになり、これをステップ６６に示す。そうでない場合には、燃料電池組立体２から第２ヒータ１３への電力供給を続ける。
【００７３】
予め定められた電流出力へと増分的に増加させる間、燃料電池システム１の動作を計測して予め定められた電流出力への増分的な増加を続けるかどうかを決定して良い。燃料電池システム１の動作は、予め定められた電流出力に到達した後、測定されて良い。制御装置１０、１５はセンサを用いて組立体を横切る電圧および／または組立体２における個々の電池（または電池グループ）を横切る電圧を測定する。ステップ６７は、組立体２において最小電圧を有する燃料電池の１つを横切る電圧が閾値を下回るかどうかを判定することを有し、これはＰＥＭ、水素、酸素の燃料電池については０．３Ｖであって良い。決定された電圧が許容できるならば（すなわち閾値を上回る）、当該方法は、ループ６８で示す水の流速の監視に進む。
【００７４】
電圧が閾値を下回るならば、これは燃料電池が低性能であること、または、オーバーヒートであることを示すであろう。第２フェーズにおいて水冷却剤が燃料電池組立体２に供給されるならば、当該方法は、組立体の流速または電気出力を変更するのに先立って、組立体２へ供給される冷却剤の量または冷却剤の供給速度を評価するようになる（ステップ６９）。
【００７５】
ステップ６９は、予め定められた最大水冷却剤流速が達成されたかどうかを評価することを有する。最大水冷却剤流が達成されたなら（例えばポンプ１１の最大性能を実現することにより）、燃料電池組立体２の負荷を減少させる。これは、多くの手段により実現して良く、当業者には明らかである。当該方法はステップ６３で冷却剤注入速度の監視を続ける。
【００７６】
水冷却剤の流速が先の予め定められた最大値を下回るなら、制御装置１０、１５は冷却剤モジュール３中の液体冷却剤レベルセンサ（図示しない）を用いて冷却剤が利用可能かどうかを決定するように構成される（ステップ７１）。代替的には、制御装置は、制御装置により要求される水流の量を累積することによって利用可能な水を見積もって良い。冷却剤が利用可能でないなら、例えば依然として冷凍状態であるなら、当該方法はステップ７０へ進み、これは先に説明した。冷却剤が利用可能であれば、当該方法は冷却剤流速を、ポンプ１１により制御して（ステップ７２）、第２フェーズの開始時点で設定した速度（ステップ５４）から、例えば、冷却剤ポンプの最大性能を下回る流速閾値まで上げる。そして、全般的には、制御装置は、冷却剤流速を第２フェーズの開始時点に設定された速度（ステップ５４）より１５％または１０％または２０％または他のパーセントだけ大きい最大値まで増加させるように動作する。当該方法は、ステップ６３に進み、ここで冷却注入速度の量の監視または評価が続けられる。
【００７７】
２フェーズ制御スキームは、凍結状態または４℃を下回る（ｓｕｂ−ｆｏｕｒ  ｄｅｇｒｅｅ  Ｃｅｌｓｉｕｓ）条件から燃料電池システムを始動させるのにとりわけ有益であることがわかった。燃料電池システムは２〜３分以内、多分、それより早く、フル動作出力で動作可能になることがわかった。
【００７８】
ここで検討した制御方法は、種々の位置で、組立体において最小電圧を具備する燃料電池の電圧を利用して信頼性のある動作を確実なものにする。代替的には、先に述べたいくつか、またはすべての場合に、組立体における複数の燃料電池にわたる燃料電池電圧の標準偏差を用いて閾値と比較して良い。代替的には、平均燃料電池電圧の変更速度を閾値と比較して良い。代替的には、カソード排出温度またはその変化を閾値と比較して良い。これら測定値のすべては燃料電池組立体の性能を示すと考えることができる。
【００７９】
図１および図５は、水注入制御装置１０を示し、燃料電池組立体２へ搬送される冷却剤の量を制御して効率的な動作を実現するための方法をそれぞれ説明する。組立体２の温度を許容限界内に維持するのに十分なように組立体２に十分なだけの冷却剤を搬送することは有益である。そして、燃料電池組立体の動作の間に冷却剤の流速を動的に制御することは有益であり、とくに効率的なシステム１をもたらす。
【００８０】
図１は、燃料電池システム１のための冷却剤注入制御装置１０を示し、この冷却剤注入制御装置１０は、センサまたはセンサアレイ１４からの燃料電池組立体の性能の計測値に応じて、燃料電池組立体２の冷却および／または水和のために燃料電池組立体２への冷却剤の流速を動的に制御するように構成されている。
【００８１】
燃料電池組立体の操作の計測値は、センサ１４からの、燃料電池組立体２の電気出力の計測値、例えば電流出力または電力出力を有して良い。他の実施例において、燃料電池組立体の動作の計測値は、燃料電池組立体を通り抜ける反応物の温度、例えば、カソード排気７における温度を有する。
【００８２】
冷却剤注入制御装置は、燃料電池組立体２の電流出力のような電気出力に基づいて、少なくとも２つの異なるモードで動作するように構成されている。この実施例において、制御装置１０は、組立体の電流出力が予め定められた閾値を下回るならば行う第１モードの動作と、組立体の電流出力が予め定められた閾値を上回るならば行う第２モードの動作とを有する。代替的には、動作モードの選択は、燃料電池組立体により要求される冷却剤流速に基づいて決定されて良く、例えば、低流速（閾値を下回る）は第１モードを要求し、高流速（閾値を上回る）は第２モードを要求する。第１モードおよび第２モードの動作は、ポンプ１１をどのように制御して冷却剤を燃料電池組立体２に搬送するかという点で異なる。具体的には、１または複数の流速、冷却剤注入期間、および冷却剤注入速度パターンが動作モードに基づいて変更される。そして、異なる冷却剤注入プロフィールが実現される。
【００８３】
この実施例において、第１モードの動作において、制御装置は、ポンプ１１を相応に制御することにより、２つの冷却剤流速の間で交番を行う。流速の一方はゼロであって良く、他方は正であってよく、双方が正（ゼロを上回る）であって良い。この例において、制御装置は、１分に８０立方センチメートルの流速で２５秒の期間の冷却剤の供給と、ゼロの流速で３５秒の期間の冷却剤の供給とを実現し、これを周期的に交番させる。さらに異なる流速が提供されてよく、制御装置がこれらを繰り返して良いことに留意されたい。このパターンに従う際に、供給される水の量はより正確に監視されて良い。これはポンプ１１を使用して低流速を測定し、または正確に維持することが困難であるからである。
【００８４】
第２モードの動作において、制御装置１０は、冷却剤の流速が、燃料電池組立体の動作の計測値に応じて、動的に、または徐々に制御される、冷却剤注入プロフィールを実現するように構成されている。燃料電池組立体の動作の計測値は上述の電流出力を含んで良く、あるいは、これは先に検討して燃料電池の動作の異なる計測値であって良い。
【００８５】
そして、制御装置１５は、燃料電池組立体の動作の計測値に応答して冷却剤の速度を制御するクローズドループフィードバックを実現して良い。燃料電池の動作の計測値は、複数の基準を採用して良い。例えば、組立体２における複数の燃料電池の１または複数の最小燃料電池電圧（ＣＶＭ電圧）、組立体電圧または最小燃料電池電圧または平均燃料電池電圧の変化率、燃料電池電圧の標準偏差（または変化）、カソード排気の温度７、または他のパラメータである。具体的には、燃料電池の動作の計測値は、燃料電池組立体２のオーバーヒート、および／または燃料電池組立体２の冷却剤の飽和を示す計測値を有する。
【００８６】
１例において、動的なクローズドループ制御フィードバックの間に冷却剤流速が最大閾値速度に到達し、燃料電池の動作が閾値を下回るならば、制御装置は、スタックによって生成された電流を減少させることによって、燃料電池組立体２の電力出力を減少させるように構成されている。
【００８７】
図５を参照すると、このフローチャートは、「通常動作」の開始を示し、これは、先に説明した方法がステップ６６に到達したことに対応して良い。この例において、制御装置１５は、ＣＶＭ電圧およびカソード排気７の温度の絶対値、および／または、変化を決定して、冷却剤の流速を、例えばポンプ１１に対して指示し、電力供給することによって動的に制御するように構成されている。
【００８８】
ステップ８０は、燃料電池組立体おおび酸素／燃料の化学量論的比から所望の出力電流を設定することを有する。この例において、化学量論的比はステップ５５の化学量論的比より小さい。
【００８９】
ステップ８１は、ＣＶＭ電圧の反歌率がＣＶＭ率閾値を下回るかどうかを判別することを有する。そうでないなら、当該方法はカソード排気の温度７が閾値温度を上回るかどうかを評価する（ステップ８２）。そうでないなら、当該方法はステップ８３に進み、ＣＶＭ電圧がＣＶＭ閾値を下回るかどうか評価する。
【００９０】
燃料電池の動作のこれら３つの評価（ステップ８１、８２、８３）のいずれかが真であれば、当該方法はステップ８４へ進み、ここで、制御装置１５が、より大きな水冷却剤流速を利用可能かどうか評価する。より大きな水流速が利用可能かどうかは、例えば、ポンプ動作が上限および、または上側動作限界に到達したかどうか、および／またはモジュール２の水が利用可能かどうかによって決定されて良い。燃料電池組立体２からの電流出力の評価値８８が電流センサ８９から利用される。そして、制御装置１５は、ステップ８４において、燃料電池組立体の具体的な電流出力に対して冷却剤流速が最大であるかどうかを決定する。これは、具体的な電流出力に対する最大冷却剤流速を決定するために、ルックアップテーブル等を参照することを有して良い。
【００９１】
冷却剤の速度を増加させることができないならば、制御装置１０は、燃料電池組立体２の負荷を減少またはレベル下げを行うように構成される（ステップ８５）。負荷のいずれの減少もメモリ中にストアされ、燃料電池組立体が良好に動作するようになると、負荷を増大させることができる。
【００９２】
冷却剤が利用可能であれば（したがって、水流速はその最大値ではない）、制御装置１５は冷却剤を組立体に搬送する速度を増加させるように構成される（ステップ８６）。つぎい制御装置は当該方法のステップ８１に戻る。
【００９３】
つぎに当該方法は、ステップ８１、８２、および８３に示される燃料電池組立体の動作の指示値を評価する。
【００９４】
制御装置１５が燃料電池組立体２の動作が許容限界内であると判別すると、すなわち、ステップ８１、８２、および８３が偽の結果を返すことにより結論付けられると、当該方法はステップ９１に進み、負荷設定点が先に減少させられたかどうか（ステップ８５）を決定する。先に述べた通り、メモリはこの情報をストアして良い。負荷が先に減少させられていると、これは長い時間間隔にあたって徐々に増加させられ（または予め定められた速度で、この速度は実験によって決定されて良い）、これステップ９２に示す。当該方法はステップ８１に戻り、燃料電池組立体の動作を、再度、監視する。
【００９５】
負荷設定点が先に減少させられていないなら、当該方法はステップ９３へ進む。制御装置１５は、水冷却剤流速が、燃料電池組立体が動作している具体的な電流出力に対する、デフォルト最小閾値（例えば、ステップ８６において所望の最小値を上回るように増加されたもの）を上回るかどうかを検査する。そして、センサが電流出力を決定して良く、ルックアップテーブル等が所望の最小冷却剤流速を決定するために参照されて良い。水冷却剤閾値が超過されていなければ、当該方法はステップ８１の初めに戻る。水冷却剤閾値が予め定められたデフォルトの最小値を上回ってると、制御装置１５は、水流速をゆっくりと（予め定められた速度で、この速度は実験によって決定されて良い）減少させるように構成され、これはステップ９４に示される。当該方法はステップ８１へ進み、ここで、燃料電池組立体の動作が検査される。
【００９６】
一般的には、燃料電池組立体の所望の出力電力の各々に関して、最小冷却剤流速および最大冷却剤流速が設定され（例えば実験によって）、そして、制御装置は、燃料電池組立体の動作の計測値（例えばステップ８１〜８３によって供給される）が、水流速を増加させる必要があることを示さない限り、冷却剤流速を予め定めた最小流速に維持するように構成されて良い。水流速は、所与の燃料電池組立体の出力電流に関して予め定められた最大冷却剤流速に至るまで増加させられるだけである。
【００９７】
先の例において個々のステップの各々は燃料電池組立体の効率的な動作において重要な役割を実行する。したがって、当該ステップの各々は、ここに請求される発明のオプションの側面を形成して良い。
【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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