(57)【要約】【課題】スタックの相対湿度を制御するために、燃料電池スタック内の圧力を制御するための、カソード排ガス出力における２位置弁を使用する燃料電池システム。【解決手段】一実施形態において、２位置弁は、完全に開いた位置と完全に閉じた位置の間で切り換え可能であり、燃料電池システムが低い動作温度で動作する時に、弁が開き、燃料電池システムが高い動作温度で動作する時、弁が閉じる。固定の絞り弁は、２位置弁が完全に閉じた時に、適当な量の圧力がカソード出力において供給されるように、２位置弁と並列に設けられる。別の実施形態において、２位置弁は、２位置弁が閉じた位置にある時に、カソード排ガスがそれでも流れることができるように、所定の大きさに作られた漏れ通路を使用する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
圧縮空気流を生成する圧縮機と、
前記圧縮空気流に応答し、カソード排ガス流を生成する燃料電池スタックと、
前記排ガス流に応答する２位置弁とを備え、前記弁は、システムの動作温度が所定の温度未満である場合に開き、システムの動作温度が前記所定の動作温度を超える場合に閉じ、それによって、前記排ガスの背圧が増加し、湿度の制御を可能にする燃料電池システム。
【請求項２】
前記２位置弁と並列な固定の絞り弁をさらに備え、前記固定の絞り弁もまた前記排ガス流に応答し、前記固定の絞り弁は、前記２位置弁が閉じると、カソード排ガスの所定の背圧を供給する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記２位置弁は、前記２位置弁が閉じると、前記排ガスが通過することを可能にする漏れ通路を含む請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
制御器をさらに備え、前記制御器は、システムの動作温度に応答して前記２位置弁の位置を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記２位置弁の急な切り換えを防止する請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記２位置弁は、前記開いた位置と閉じた位置の間での急な変化を防止するように、比較的遅い遷移時間を有する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記２位置弁は、約５００ｍｓの遷移時間を有する請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記遅い遷移時間は、機械的ダッシュポットまたは電気的制御のうちの１つによって供給される請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池システムは車両に載る請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料電池システムであって、
圧縮空気流を生成する圧縮機と、
前記圧縮空気流に応答し、燃料電池スタックのカソード出力においてカソード排ガス流を生成する燃料電池スタックと、
前記カソード排ガス流に応答する２位置ディスクリート弁であって、前記カソード出力において低い背圧を供給する第１の位置および前記カソード出力において高い背圧を供給する第２の位置を有する、２位置ディスクリート弁と、
前記カソード排ガス流に応答し、前記２位置弁が前記第２の位置にある時に前記高い背圧を供給する固定の絞り弁と、
前記燃料電池スタックが適当な相対湿度を有するように、前記燃料電池スタックの動作温度に応答して、前記第１の位置と第２の位置の間で前記２位置弁を切り換える制御器とを備える燃料電池システム。
【請求項１１】
前記固定の絞り弁は、前記２位置弁とは分離した弁であり、前記２位置弁と並列である請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記固定の絞り弁は、前記２位置弁の一部であり、前記２位置弁が前記第２の位置にある時に前記２位置弁を通る漏れ通路を提供する請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記制御器は前記２位置弁の急な切り換えを防止する請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記２位置弁は、前記弁の急な切り換えを防止するように、比較的遅い遷移時間を有する請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記２位置は、５００ｍｓの遷移時間を有する請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記遅い遷移時間は、機械的ダッシュポットまたは電気的制御のうちの１つによって供給される請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
燃料電池システムは車両に載る請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
燃料電池システムの相対湿度を制御する方法であって、
圧縮空気流を燃料電池スタックのカソード入力に吹き込むステップと、
前記燃料電池スタックからのカソード排ガス流の背圧を制御することによって、前記燃料電池スタック内の圧力を制御するステップとを含み、前記燃料電池スタック内の圧力を制御するステップは、システムの動作温度が所定の温度未満である場合に低い背圧を供給する第１の位置、および、システムの動作温度が前記所定の動作温度を超える場合に高い背圧を供給する第２の位置を有する２位置弁を通して前記排ガスを誘導するステップを含む燃料電池システムの相対湿度を制御する方法。
【請求項１９】
前記燃料電池スタック内の圧力を制御するステップは、前記２位置弁と並列に固定の絞り弁を設け、それによって、固定の絞り弁は、前記２位置弁が前記第２の位置にある時に前記高い背圧を供給するステップをさらに含む請求項１８に記載の燃料電池システムの相対湿度を制御する方法。
【請求項２０】
前記燃料電池スタック内の圧力を制御するステップは、前記２位置弁が前記第２の位置にある時に前記高い背圧を供給するように、前記２位置弁に特別な大きさに作られた漏れ通路を設けるステップを含む請求項１８に記載の燃料電池システムの相対湿度を制御する方法。
【請求項２１】
前記燃料電池スタック内の圧力を制御するステップは、前記第１の位置と前記第２の位置の間での前記２位置弁の急な切り換えを防止するステップを含む請求項１８に記載の燃料電池システムの相対湿度を制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、背圧制御を使用する燃料電池システムに関し、より詳細には、スタックの圧力および相対湿度を制御するために、燃料電池システムのスタックのカソード排気管に分離した(discrete)２位置弁を使用する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、クリーンで、かつ、燃料電池の電気を効率よく生成するのに用いることができるため、非常に魅力的である。自動車業界は、車両の電力源としての水素燃料電池の開発にかなりの資源を費やす。こうした車両は、内燃機関を使用する今日の車両に比べて、効率がよく、かつ、排気物の生成が少ない。
【０００３】
水素燃料電池は、アノードとカソードを含み、両者の間に電解質を有する電気化学的デバイスである。アノードは水素ガスを受け取り、カソードは酸素および空気を受け取る。水素ガスは、アノードで分離して、水素の自由陽子と自由電子を生成する。水素陽子は電解質を通過してカソードに達する。水素陽子は、カソードで、酸素および電子と反応して、水を生成する。アノードからの電子は電解質を通過できず、したがって、負荷を通って送られて、カソードに送られる前に仕事を行う。仕事は車両を動作させるのに役立つ。
【０００４】
陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、よく使われる車両用の燃料電池である。ＰＥＭＦＣは一般に、パーフルオロスルフォン酸膜などの固体ポリマー電解質陽子伝導膜を含む。アノードおよびカソードは通常、炭素粒子上で支持され、イオノマーと混合された、細かく分割された触媒粒子（通常、プラチナ（Ｐｔ））を含む。アノード、カソード、および膜の組み合わせは、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を画定する。ＭＥＡは、製造するのに比較的費用がかかり、効率的な動作のためには一定の条件を必要とする。これらの条件は、適切な水管理および加湿、および、一酸化炭素（ＣＯ）などの触媒被毒成分の制御を含む。
【０００５】
燃料電池は通常、燃料電池スタックと組み合わされて、所望の電力を生成する。燃料電池スタックは、通常、圧縮機によってスタックを通過させられる、空気流としてカソード入力ガスを受け取る。空気内の酸素のすべてがスタックによって消費されるわけではなく、空気の一部は、副産物として水を含む場合があるカソード排ガスとして出力される。
【０００６】
燃料電池スタックの膜の湿度または湿潤性は、効率的なスタック動作のための重要な設計基準である。スタック内の過剰の水は、カソード入力ガス内の酸素がカソード上の触媒に達するのを妨げる働きをする。スタック内の水が少な過ぎると、スタック膜が、乾燥し、割れおよび他の損傷をより受け易くなる。スタックが生成する電流が多ければ多いほど、電気化学的プロセスの副産物としてより多くの水が生成される。しかし、より多くの電流を供給するために、圧縮機によってスタックを通過させられる空気が多ければ多いほど、スタック膜がますます乾燥する。通常、スタックは、その最も効率のよい動作中に、１１０％相対湿度を有する。１１０％相対湿度の場合、排ガスは１００％飽和し、同様に、わずかの過剰な水を含む。
【０００７】
スタックの相対湿度に影響を与える別の要因は、スタックの温度である。スタックの温度が上昇するにつれて、蒸気の状態で水を保持するスタックの能力もまた向上し、所望のスタック相対湿度を維持することは、そのためにより多くの水が必要となるため、より難しくなる。スタックの相対湿度に影響を与える別の要因はスタック圧力である。スタック内の圧力が増加するにつれて、蒸気の状態で水を保持するスタックの能力は低下する。そのため、カソードの相対湿度を制御するために、最も一般的に用いられる技法の１つは、燃料電池システムの圧力および温度を制御することである。
【０００８】
燃料電池システムは廃熱を廃棄しなければならない。燃料電池システムは、スタックが、その所望の動作温度で動作するように、スタックからの熱を取り除く熱冷媒サブシステムを含むことになる。スタックからの加熱された冷媒は、スタックの廃熱を取り除くためにスタックに戻すことができるように、冷媒の温度を下げるラジエータに誘導される。ラジエータのサイズは、冷媒から取り除くことができる熱量を制限する。
【０００９】
冷媒サブシステムが廃棄することができる廃熱量は、燃料電池システムの動作温度に直接比例する。システムが高温で動作することができる場合、より小さいラジエータを使用して、熱が取り除かれ、したがって、空間が節約される。残念ながら、動作温度が高いと、スタックの相対湿度を所望レベルに維持するのにより高いシステム圧力が必要とされる。換言すれば、スタック温度が上昇するにつれて、水を保持するスタックの能力が向上し、したがって、所望の相対湿度に対応するために、より多くの水が必要とされる。より高い圧力は、より高い温度が相対湿度に与える影響を打ち消す。しかし、より高い動作温度では、スタックは、要求される相対湿度に対応するのに十分な水を生成しない可能性がある。
【００１０】
ラジエータのサイズは、車両において制限されるため、燃料電池システムは通常、より高い温度で動作しなければならない。したがって、所望の相対湿度に対応するために、燃料電池スタック内により多くの水が保持されるように、燃料電池スタックの圧力を増加させることが必要になる。しかし、高いカソード圧力は、より大きな圧縮機パワーを必要とし、システム効率の低下を生じる。
【００１１】
燃料電池システムの圧力を制御するための２つの手法が、当技術分野で知られている。１つの知られている手法は、カソード排出出力において固定オリフィスを使用することである。特に、高温の用途の場合、カソード出力オリフィスは、最高システム温度における相対湿度要求に対応するのに十分な背圧を供給する大きさに作られる。しかし、出力オリフィスはまた、低い出力パワーで高いシステム圧力を生じ、そのため、燃料電池システムの効率は、圧縮機の寄生電力が高いために損なわれることになる。
【００１２】
熱サブシステムのサイズが重要でない低い温度の用途の場合、カソード出力オリフィスは、ほぼゼロの圧力降下を提供する大きさに作られる。これによって、燃料電池システムが、圧縮機の寄生損失が低い状態で動作することが可能になり、したがって、動作範囲全体にわたって効率がよい。しかし、この燃料電池システムは、低級熱を廃棄するのに必要とされる大型ラジエータの結果として大きくなるであろう。
【００１３】
結果をモデル化することによって示されたことは、固定オリフィスが、熱サブシステムを過負荷にすることなく、カソード排ガスの流量および圧力を減らすことが可能であることである。燃料電池電力モジュールが流量および電力を減らすにつれて、ラジエータが消散しなければならない廃熱量が減るであろう。ラジエータが消散させることができる廃熱量は、冷媒と周囲空気との温度差に比例する。この値は、Ｑ／ＩＴＤによって表すことが多い。ここで、Ｑは廃熱であり、ＩＴＤは冷媒と空気との初期温度差である。ラジエータは、最大電力で最大Ｑ／ＩＴＤになる大きさに作られる。したがって、燃料電池が流量および電力を減少させる（ｔｕｒｎ  ｄｏｗｎ）につれて、廃熱の要求が下がり、動作温度が下がることが可能になる。これによって、動作圧力が下がることが可能になる。
【００１４】
図１は、システム圧力を制御する固定オリフィスのみを使用する燃料電池システム用の可能な圧縮機送出圧力を示す、水平軸上にカソード入力空気流量、および、垂直軸上に必要とされる圧縮機圧力を持つグラフである。グラフのライン４０は、固定オリフィスの大きな圧力降下についての流量対圧力に関するシステムの動作曲線を示し、グラフのライン４２は、固定出力オリフィスのほぼゼロの圧力降下についての流量対圧力に関する動作曲線を示す。燃料電池システムは、システムの動作温度にかかわらず、グラフのライン４０または４２の一方の上で動作するであろう。高圧力のグラフのライン４０は、一部の（ｐａｒｔ）電力条件でエネルギーを浪費し、低圧力のグラフのライン４２は、低い温度における湿度の要求に対応することだけができる。
【００１５】
別の知られている手法は、能動的なカソード圧力制御を用いることである。これは、過去において、高分解能制御弁を用いて行われた。これらの高分解能制御弁は、弁を通る流体流量が任意所望の場所で設定される、多くの個別的（ディスクリート）な弁の開位置またはアナログ制御を提供する。弁の位置は、システムの現在の動作温度、および、スタックによって生成される水の量によって求められ、１１０％スタック相対湿度を提供するのに必要とされる圧力の程度の計算を可能にする。さらに、高圧による致命的なスタックの破損をもたらすと思われる、弁が誤って閉位置になるのを防止する安全デバイスを設けることが必要である。この手法は、システム効率を、その動作範囲全体にわたって最適化することを試みる、よい解決策を提供するが、制御弁およびサポートソフトウェアが高コストの部品である。さらに、燃料電池システムの動作条件の大部分において、このレベルの制御は必要がない。
【００１６】
図２は、高分解能背圧弁を使用する燃料電池システム用の可能な圧縮機送出圧力を示す、水平軸上にカソード入力空気流量、および、垂直軸上に必要とされる圧縮機圧力を持つグラフである。グラフのライン４４は、所望の相対湿度を提供するために、流量と独立に、カソード圧力が直接に制御されることができる方法を示す。一定の低温度動作において、制御弁は、カソード排気管における圧力降下がほぼゼロになるように広く開く。流量が増加するにつれて、システム温度が上昇し、弁は、相対湿度を制御するために、所望の燃料電池背圧を供給するように系統的に閉じるであろう。
【００１７】
高分解能背圧制御弁を有する燃料電池システムの場合、弁の位置は、所望の相対湿度を維持するために、冷媒温度の関数として変わる。しかし、固定オリフィスの前後の圧力降下は、流体速度、流体粘度、およびオリフィス形状の関数である。オリフィスの形状を変えることができないため、カソード圧力および流量を、独立に制御することができない。固定オリフィスが、最高温度、最大流量、および、最大Ｑ／ＩＴＤ点における湿度要求に対応する大きさに作られる場合、固定オリフィスは、減少域において、十分な湿度制御を可能にするであろう。所望の湿度を維持するのに必要とされる最小圧力は、減少域において最大Ｑ／ＩＴＤ条件を維持しながら、可能な最小温度で動作させることによって与えられる。この必要とされる圧力は、最大点での大きさに作られた時に、減少域における固定オリフィスの前後の圧力降下によって供給される圧力より低い。
【００１８】
最大の許容可能なＱ／ＩＴＤが最大の電力および流量で設定されたシステムモデルが構築された。モジュールが、流量および電力を減少させるにつれて、冷媒温度は、最大Ｑ／ＩＴＤを超えない、可能な最大量だけ下がった。要求される湿度レベルに対応するため、システムの背圧要求が次に計算された。これは、最大Ｑ／ＩＴＤ限界を超えないようにするための、背圧弁に要求される流量対圧力降下曲線を与える。図３は、水平軸上にカソード入力空気流量、および垂直軸上に背圧弁の圧力降下を持つグラフであり、グラフのライン４６がこの関係を示す。
【００１９】
モデルは、背圧制御用の固定エリアオリフィスを用いて、再び実行された。オリフィスは、最大の流量および温度条件において所望の湿度に対応する大きさに作られた鋭利端オリフィスに基づいてモデル化された。鋭利端オリフィスの圧力降下は、流体速度の２乗に比例する。この仮定の下で、図３のグラフのライン４８によって示されるように、固定エリアオリフィスを用いたシステムについての流量対圧力降下曲線が生成された。このモデリングが示すことは、固定エリアオリフィスの圧力降下は、定常状態の減少点において所望の湿度を達成するための圧力降下要求に対応しているか、または、それを超えていることである。固定エリアオリフィスによって、燃料電池が、一部の電力条件において、少し過度に加圧され、最適湿度より少し高い湿度を与えるであろう。これは、システム効率に少し影響を与えると思われるが、スタックの耐久性は損なわない。固定オリフィスの圧力降下が、Ｑ／ＩＴＤ限界に対応するのに必要とされる圧力降下より小さい場合、湿度は、望まれるものより低く、スタックが損傷を受ける場合がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明の教示によれば、燃料電池スタック内の圧力を制御するために、カソード排ガス出力においてディスクリートな２位置弁を使用する燃料電池システムが開示される。一実施形態において、ディスクリートな弁は、完全に開いた位置と完全に閉じた位置の間で切り換え可能であり、燃料電池システムが低い動作温度で動作する時に、完全に開いた位置が用いられ、燃料電池スタックが高い動作温度で動作する時に、完全に閉じた位置が用いられる。固定の絞り弁は、相対湿度要求に対応するために、ディスクリートな弁が完全に閉じた時に、適当な量の背圧がカソード出力において供給されるように、ディスクリートな弁と並列に設けられる。
【００２１】
別の実施形態において、ディスクリートな２位置弁は、ディスクリートな弁が閉じた位置にある時に、カソード排ガスの一部がそれでも高圧下で流れることができるように、所定の大きさに作られた漏れ通路を使用する。この実施形態では、固定の絞り弁が必要でない。
【００２２】
本発明のさらなる利点および特徴は、添付図面に関連して行われる以下の説明および添付特許請求項から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
ディスクリートな２位置カソード排ガス弁を使用する燃料電池システムを対象とする本発明の実施形態の以下の説明は、事実上、例示に過ぎず、本発明あるいは本発明の応用または使用を制限することを何ら意図しない。
【００２４】
図４は、本発明の実施形態による燃料電池スタックを含む燃料電池電力モジュール（ＦＣＰＭ）１２を使用する燃料電池システム１０のブロック図である。システム１０は、入口空気流を受け取り、システム１０の電力出力に対応するために、ＦＣＰＭ１２を通して適切な空気量を駆動するのに適当な圧力に、空気を圧縮する圧縮機１４を含む。ＦＣＰＭ１２は、本明細書で説明するように、燃料電池システム用の任意の適当なＦＣＰＭであることができ、その説明は、本発明の適切な理解にとって必要ではない。
【００２５】
ＦＣＰＭ１２は、カソード排ガスを出力ライン１６上に出力する。カソード排ガスは、ディスクリートな２位置弁１８と固定弁２０（両者は並列である）に吹き込まれる。ディスクリートな（分離した）弁１８が開いている時、カソード排ガス出力における圧力降下は、システム１０にとって可能な限り低く、排ガスは、弁１８と２０の両方を通って流れることができる。弁１８が閉じると、固定弁２０のオリフィスの前後で大きな圧力降下が生じるであろう。固定弁２０のオリフィスは、システム圧力によって、システム１０が、高温度動作において、必要な相対湿度要求に対応するこが可能になるように、最大の流量と動作温度において要求される圧力降下が最大になる大きさに作られる。制御器２２は、システム動作温度を含むシステムパラメータに応じて、適切な時刻に弁１８を開閉する制御信号を供給する。
【００２６】
本明細書で説明するように、個別的（ディスクリート）な弁１８は２位置弁である。一実施形態において、一方の位置は完全に開いた位置であり、他の位置は完全に閉じた位置である。別の実施形態において、一方の位置は完全に開いた位置であり、他の位置はほとんど閉じた位置であり、そこを通して最小の流れを供給する。しかし、ディスクリートな弁１８は、完全に開いた位置と完全に閉じた位置の間に多くの弁位置を有する従来技術で用いられた、精巧な多位置制御弁ではない。
【００２７】
ほとんどの時間、燃料電池システム１０は、低い温度で動作し、したがって、低い背圧を必要とするであろう。このモードでは、ディスクリートな弁１８は開位置にあるであろう。システム負荷が増加するにつれて、熱管理サブシステム（システム冷媒）は、等級の低い廃熱で飽和するであろう。燃料電池システム１０は、低い動作温度において、熱サブシステムを通して要求される量の廃熱を廃棄することができるであろう。燃料電池スタックが熱サブシステムで一旦飽和すると、燃料電池スタックの温度が上昇するであろう。システム背圧を用いることなしでは、所望のスタック相対湿度をもはや達成することができない点を越えて、システム温度が上昇すると、制御器２２は、ディスクリートな弁１８を閉じる。これによって、カソード排ガスが固定弁２０を通過させられ、燃料電池の圧力が、相対湿度要求に対応するレベルに上昇する。
【００２８】
図５は、ディスクリートな弁１８と固定弁２０の両方についての制御曲線を示す、水平軸上にカソード入力空気流量および垂直軸上に要求される圧縮機圧力を持つグラフである。特に、システム１０が、低い温度で動作し、弁１８が開いている時に、圧縮機の圧力は、現在の出力が増加するにつれて、グラフのライン２６に追随するであろう。この低温度モードにおいて、システム１０の動作温度は、最終的に、ラジエータが、システムが所望の温度で動作するようにもはや廃熱を取り除くことができない温度に達するであろう。この時点で、制御器２２は、ディスクリートな弁１８を閉じ、システム１０は、グラフのライン２８で示すように、より高い動作温度において、所望の相対湿度を提供するように圧力が増加する高温モードに切り換わるであろう。
【００２９】
制御器２２は、システム１０が、弁１８を閉じるようにさせる温度に達した時に、ディスクリートな弁１８が、不安定に循環することを防止する適当なソフトウェアを含む。特に、制御器２２が、弁１８を切り換える弁制御信号を供給する時、制御器２２は、弁１８を以前の弁位置に切り換える前にシステムが安定になることを可能にする、少なくともある所定の期間待つであろう。弁１８の切り換え点は、制御に組み込まれた、この同じヒステリシスを有するべきである。たとえば、熱サブシステム限界が、ラジエータファンの速度によって決められる場合、弁１８は、最大定格ファン速度の９８％で閉じることができる。弁１８は、最大定格ファン速度の９５％に基づいて開くことができるであろう。これによって、システム１０が遷移位置にある間に、弁１８が、急に開き、閉じることが防止される。
【００３０】
図６は、本発明の別の実施形態による、先に説明した燃料電池システム１０と同様の燃料電池システム３２のブロック図であり、同じ要素は、同じ参照数字によって特定される。この実施形態において同様に、ディスクリートな２位置弁であるが、閉じた、すなわち、高圧位置で流れを供給する、単一の弁３４で、弁１８および２０が置き換えられた。制御器２２が、ＦＣＰＭ１２の動作温度が所定の温度であり、ＦＣＰＭ１２の圧力が、所望の相対湿度を満たすために上げなければならないことを検知する場合、制御器２２は弁３４を閉じる信号を供給する。しかし、弁３４はさらに、特別の大きさに作られたフロースルーオリフィスを含み、フロースルーオリフィスによって、カソード排ガスが、固定弁２０と同じ方法で、高圧下でフロースルーオリフィスを通って流れることが可能になる。
【００３１】
ＦＣＰＭ１２の燃料電池スタックの電極は、急激な圧力変化を好まないため、ＦＣＰＭ１２内での急な圧力変化を防止するために、弁１８および３４は、制御器２２によってゆっくり開閉される。弁１８および３４が急激に移動する場合、システム１０に対する擾乱は、スタック膜のカソード側とアノード側の間に、空気制御エラーすなわち高いデルタ圧を生じる場合がある。５００ｍｓの遷移時間を有する弁は、システムの制御をより正確にする。弁１８または３４は、機械的に弁１８または３４に組み込まれるダッシュポットを含むか、または、遷移は、電気的に行われるであろう。電気的である場合、弁１８または３４のソレノイドは、高いインダクタンスを用いて作られ、制御器のディスクリートな出力ドライバが切り換わる時に、弁を減速させる。これは同様に、ｄｉ／ｄｔを下げることによって、システム１０および３２の電磁適合性を下げるのに役立つ。
【００３２】
２位置弁１８および３４の使用は、従来技術において使用される高分解能弁に比べてかなりの利点を有する。特に、ディスクリートなソレノイド弁は、アナログモータに比べてかかるコストがかなり少ない。ディスクリートな出力ドライバは、アナログドライバに比べてかかるコストがかなり少ない。ディスクリートな弁は、弁に関する位置のフィードバックに対する必要をなくす。ディスクリートな弁は、ゆるい機械公差を要求し、製造するのが安価になる。また、ディスクリートな弁は、スタック出力カソード圧力センサに対する必要をなくす。
【００３３】
ディスクリートな弁１８および３４の使用はまた、能動背圧システムに比べて改善された性能を提供する。特に、ディスクリートなシステムは、弁が、もはや故障時に開位置になる必要がないため、アクチュエータ電力要求が下げられる。燃料電池は、停止時に大気に開放されなければならないため、弁１８および３４が、故障時に閉位置になり、やはりシステムをガス抜きすることができる。さらに、ディスクリートなシステムは、故障時に開くばねを必ずしも必要としないため、設計上のより大きな柔軟性を有する。同様に、ディスクリートなシステムは、弁が、着氷を遮断することができる完全に閉じたシール必要としないため、凍結に対するより大きな許容度を有する場合がある。
【００３４】
本発明はまた、背圧オリフィスを有する燃料電池システムに対してシステムコストが低い。特に、本発明は、圧縮機モータの電力を減らし、したがって、モータおよび制御器のサイズおよびコストが低減される。
【００３５】
先の説明は、本発明の例示的な実施形態を開示し、述べるだけである。当業者は、こうした説明から、ならびに、添付図面および特許請求項から、添付特許請求項に規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、種々の変更、修正、および変形を、それらの中で行うことができることを容易に認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】２つの異なる固定オリフィスを用いる受動背圧制御を使用する燃料電池システムについての、流量と圧力の関係を示す、水平軸上にカソード入力空気流量、および、垂直軸上に圧縮機圧力を持つグラフである。
【図２】高分解能制御弁を用いる能動背圧制御を使用する燃料電池システムについての、流量と圧力の関係を示す、水平軸上にカソード入力空気流量、および、垂直軸上に圧縮機圧力を持つグラフである。
【図３】鋭利端固定エリアオリフィス弁および一定Ｑ／ＩＴＤ高分解能背圧弁についての、水平軸上にカソード入力空気流量、および垂直軸上に背圧弁の圧力降下を持つグラフである。
【図４】本発明の実施形態による、カソード排ガス圧力およびスタック相対湿度を制御するための、固定オリフィス弁と並列のディスクリートな２位置弁を使用する燃料電池システムのブロック図である。
【図５】図４に示す燃料電池システムについての、流量と圧力の関係を示す、水平軸上にカソード入力空気流量および垂直軸上に圧縮機圧力を持つグラフである。
【図６】本発明の別の実施形態による、カソード排ガス圧力およびスタック相対湿度を制御するための、所定の大きさに作られた漏れ通路を含むディスクリートな２位置弁を使用する燃料電池システムのブロック図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  燃料電池システム
１２  燃料電池電力モジュール（ＦＣＰＭ）
１４  圧縮機
１６  出力ライン
１８  ２位置弁
２０  固定弁
２２  制御器
【図１】
2005243630.tif 000003
【図２】
2005243630.tif 000004
【図３】
2005243630.tif 000005
【図４】
2005243630.tif 000006
【図５】
2005243630.tif 000007
【図６】
2005243630.tif 000008