(57)【要約】【課題】並列に接続された複数の燃料電池スタックをパージする燃料電池スタック凍結防止システムを提供すること。【解決手段】燃料電池スタック凍結防止システムは、加圧カソードガスを複数の燃料電池スタックのそれぞれに供給する圧縮機を含む。コントローラが、複数の燃料電池スタックの１つまたは複数の第１の群を非作動状態にし、複数の燃料電池スタックの１つまたは複数の第２の群の運転を維持する。第２の群は、圧縮機に給電し、圧縮機は、加圧カソードガスを使用して第１の群から過剰流体をパージする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列に接続された複数の燃料電池スタックをパージする燃料電池スタック凍結防止システムであって、
前記複数の燃料電池スタックのそれぞれに加圧カソードガスを供給する圧縮機と、
前記複数の燃料電池スタックの１つまたは複数の第１の群を非作動状態にし、前記複数の燃料電池スタックの１つまたは複数の第２の群の動作を維持する、コントローラとを備え、前記第２の群が前記圧縮機に給電し、かつ前記圧縮機が、前記加圧カソードガスを使用して前記第１の群から過剰流体をパージする、燃料電池スタック凍結防止システム。
【請求項２】
前記コントローラが、前記第１の群から前記過剰流体をパージした後に、前記第２の群を非作動状態にする、請求項１に記載の燃料電池スタック凍結防止システム。
【請求項３】
前記コントローラが、前記第１の群を作動させ、前記第１の群が、前記第２の群を加熱するのに使用される、請求項２に記載の燃料電池スタック凍結防止システム。
【請求項４】
前記複数の燃料電池スタックを通過して熱伝達流体を循環させる冷却液システムをさらに備え、前記第１の群からの廃熱が、前記熱伝達流体を介して前記第２の群に伝達される、請求項３に記載の燃料電池スタック凍結防止システム。
【請求項５】
前記複数の燃料電池スタックのそれぞれに関連する電気加熱装置を含む、加熱システムをさらに備え、前記第１の群が、前記第２の群を加熱する前記電気加熱装置に給電する、請求項３に記載の燃料電池スタック凍結防止システム。
【請求項６】
停止信号を選択的に生成するオペレータ入力をさらに備え、前記コントローラが、前記停止信号に応答して前記第１の群を非作動状態にする、請求項１に記載の燃料電池スタック凍結防止システム。
【請求項７】
低負荷要求を選択的に生成するオペレータ入力をさらに備え、前記コントローラが、前記低負荷要求に応答して前記第１の群を非作動状態にする、請求項１に記載の燃料電池スタック凍結防止システム。
【請求項８】
前記第１の群の燃料電池スタックの数が、前記低負荷要求を供給するのに必要な燃料電池スタックの数に基づいている、請求項７に記載の燃料電池スタック凍結防止システム。
【請求項９】
並列に接続された複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムを制御する方法であって、
前記複数の燃料電池スタックの１つまたは複数の第１の群を非作動状態にするステップと、
前記複数の燃料電池スタックの１つまたは複数の第２の群の動作を維持するステップと、
前記第２の群を使用してカソード供給システムに給電するステップと、
前記カソード供給システムから供給される加圧カソードガスを使用して前記第１の群から過剰流体をパージするステップとを含む方法。
【請求項１０】
前記過剰流体を前記第１の群からパージした後に、前記第２の群を非作動状態にするステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の群を作動させるステップと、
前記第１の群を使用して前記第２の群を加熱するステップとをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記加熱するステップが、前記第１の群から前記第２の群に廃熱を伝達するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記加熱するステップが、前記第１の群によって生成される電力を使用して、前記第２の群を加熱する加熱装置に給電するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
停止事象を検出するステップをさらに含み、前記第１の群を非作動状態にする前記ステップが、前記停止事象に応答して行われる、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
低負荷要求を検出するステップをさらに含み、前記第１の群を非作動状態にする前記ステップが、前記低負荷要求に応答して行われる、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の群の燃料電池スタックの数が、前記低電力要求を供給するのに必要な燃料電池スタックの数に基づいている、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
並列に接続された複数の燃料電池スタックと、
停止信号と負荷要求信号の一方を生成する入力デバイスと、
加圧カソードガスを前記複数の燃料電池スタックのそれぞれに供給する圧縮機と、
前記複数の燃料電池スタックの１つまたは複数の第１の群を非作動状態にするとともに、前記停止信号と前記負荷要求信号の一方に基づいて、前記複数の燃料電池スタックの１つまたは複数の第２の群の動作を維持する、コントローラとを含み、前記第２の群が前記圧縮機に給電し、前記圧縮機が前記加圧カソードガスを使用して前記第１の群から過剰流体をパージする、燃料電池システム。
【請求項１８】
前記コントローラが、前記第１の群から前記過剰流体をパージした後に、前記第２の群を非作動状態にする、請求項１７に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記コントローラが、前記入力デバイスによって生成される始動信号に応答して前記第１の群を作動させ、前記第１の群が前記第２の群を加熱するのに使用される、請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記複数の燃料電池スタックを通過して熱伝達流体を循環させる、冷却液システムをさらに備え、前記第１の群からの廃熱が、前記熱伝達流体を介して前記第２の群に伝達される、請求項１９に記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記複数の燃料電池スタックのそれぞれに関連する電気加熱装置を含む、加熱システムをさらに備え、前記第１の群が、前記第２の群を加熱する前記電気加熱装置に給電する、請求項１９に記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記第１の群の燃料電池スタックの数が、前記負荷命令を供給するのに必要な燃料電池スタックの数に基づいている、請求項１７に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、より具体的には氷点下環境条件における燃料電池システムの停止および始動に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学的反応によって電気を生成するものであり、多くの用途における電源として使用されてきた。燃料電池は、他の電気エネルギー源に対して重要な便益、例えば高い効率、信頼性、耐久性、コストおよび環境上の便益を提供することができる。燃料電池は、最終的には自動車やトラックに使用される可能性がある。また燃料電池は、家庭や事業所の電力源ともなる。
【０００３】
いくつかの異なるタイプの燃料電池があり、それぞれが利点を有し、そのために、ある特定の用途に特に適している。１つのタイプが、陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池であり、これはアノードとカソードの間に挟まれた膜を備える。電気化学的反応によって電気を生成するために、水素（Ｈ２）がアノードに供給され、空気または酸素（Ｏ２）がカソードに供給される。
【０００４】
最初の半電池反応（ｈａｌｆ−ｃｅｌｌ  ｒｅａｃｔｉｏｎ）において、アノードにおける水素（Ｈ２）の解離によって、水素陽子（Ｈ＋）および電子（ｅ−）が生成される。膜が陽子伝導性であるために、陽子は膜を通過して移動する。電子は、電極間に接続されている電気負荷を通過して流れる。第２の半電池反応において、カソードにおける酸素（Ｏ２）は、プロトン（Ｈ＋）と反応して、電子（ｅ−）を失い、水（Ｈ２Ｏ）を形成する。燃料電池スタックを非作動状態にした後に、この水は燃料電池スタックの流路内に残る。氷点下環境条件の下では、この水が凍結して、燃料電池スタックの構成要素に損傷を与える可能性がある。さらに、凍結水の存在によって、燃料電池スタックの始動が妨げられる。
【０００５】
燃料電池システムは、一般に、停止前および始動中に燃料電池スタックをパージおよび余熱する付加的なシステムを備えている。これらの付加的なシステムに給電するのに必要なエネルギーは、一般に、補助急速変換器（ａｎｃｉｌｌａｒｙ  ｂｏｏｓｔ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を使用してバッテリ蓄積システムから供給される。このバッテリ蓄積システムは、大量のエネルギーを蓄積しなくてはならず、したがって、そのようなエネルギー蓄積システムは、その体積、質量およびコストのせいで望ましくない。
【特許文献１】米国特許出願第ＸＸ／ＸＸＸＸＸＸ号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、並列に接続された複数の燃料電池スタックをパージする燃料電池スタック凍結防止システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
燃料電池スタック凍結防止システムは、加圧カソードガスを複数の燃料電池スタックのそれぞれに供給する圧縮機を備える。コントローラが、複数の燃料電池スタックの１つまたは複数の第１の群を非動作状態にして、複数の燃料電池スタックの１つまたは複数の第２の群の動作を維持する。第２の群は、圧縮機に給電し、圧縮機は、加圧カソードガスを使用して第１の群から過剰流体をパージする。
【０００８】
１つの特徴において、コントローラは、第１の群から過剰流体をパージした後に、第２の群を非作動状態にする。コントローラは第１の群を作動させ、第１の群が第２の群を加熱するのに使用される。
【０００９】
別の特徴において、燃料電池スタック凍結防止システムは、熱伝達流体を複数の燃料電池スタックを通過して循環させる、冷却液システムをさらに備える。第１の群からの廃熱は、熱伝達流体を介して第２の群に伝達される。
【００１０】
別の特徴において、燃料電池スタック凍結防止システムは、複数の燃料電池スタックのそれぞれに関連する電気加熱装置を有する加熱システムを備える。第１の群が、第２の群を加熱する電気加熱装置に給電する。
【００１１】
さらに別の特徴において、燃料電池スタック凍結防止システムは、停止信号を選択的に生成するオペレータ入力をさらに備える。コントローラが、停止信号に応答して、第１の群を非作動状態にする。
【００１２】
さらに別の特徴において、燃料電池スタック凍結防止システムは、低負荷要求を選択的に生成するオペレータ入力をさらに備える。コントローラが、低負荷要求に応答して、第１の群を非作動状態にする。第１の群の燃料電池スタックの数は、低電力要求を供給するのに必要な、燃料電池スタックの数に基づいている。
【００１３】
本発明を応用可能なさらなる領域は、以下に示す詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明および具体的な実施例は、本発明の好ましい実施形態を示す一方で、説明の目的だけのものであり、本発明の範囲を限定するものではないことを理解すべきである。
【００１４】
詳細な説明と添付の図面とから、本発明は、より完全に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
好ましい実施形態についての以下の説明は、本質的に単なる例示であり、いかなる方法においても、本発明、その用途、または使用を限定するものではない。
図１を参照すると、本発明による燃料電池システム１０を、模式的に示してある。燃料電池システム１０は、電気的に並列に接続された複数の燃料電池スタック１２を含む。この燃料電池スタック１２は、主負荷１４と、それには限定されないが圧縮機１６を含む補助負荷とに、総負荷電流を供給する。４つの燃料電池スタック１２が図１に示されているが、燃料電池スタック１２の数は、Ｎ個の燃料電池スタック１２まで変化することができる。一般に、燃料電池スタック１２を並列に接続すると、出力電圧範囲が固定される。発電容量は、燃料電池システム１０に並列スタック（単数または複数）を加えることによって増大させることができる。並列構成から生成される結果としての並列バス電圧は、キルヒホフの電圧の法則に従って、並列構成内のすべての燃料電池スタック１２と一致する。
【００１６】
圧縮機１６は、ＤＣ／ＡＣ変換器１８を介して燃料電池スタック１２によって給電される。圧縮機１６は、システムコントローラ２０によって制御される。酸化剤（例えば、酸素リッチな空気）が、周囲環境から引き込まれ、圧縮機１６内で圧縮される。酸化剤は、カソード圧縮機１６から放出されて、共通カソード入口マニホールド２２中に入る。個々の燃料電池スタック１２への酸化剤の流入は、カソード入口弁２４を介して制御される。カソード入口弁２４は、システムコントローラ２０からの信号に基づいて起動される。陽子交換反応が終了すると、廃棄酸化剤ガスが、それぞれ配置された背圧制御弁（図示せず）を含む、カソード排気分配出口（図示せず）を介して排出される。酸化剤廃棄ガスは、共通カソード排気流中で混合される。燃料電池スタック１２の動作中に、燃料電池スタック１２の流路内で、凝縮水が形成される。
【００１７】
アノード側では、加圧された水素が、水素供給源からアノード共通入口２６に入る。それぞれの水素流の個々の燃料電池スタック１２中への流れは、アノード入口弁２８を介して制御される。アノード入口弁２８は、システムコントローラ２０からの信号に基づいて起動される。陽子交換反応が完了すると、廃棄アノードガスが、アノード排気分配出口（図示せず）から排出される。アノード廃棄ガスは、共通アノード排気流内で混合される。
【００１８】
また、オペレータ入力３０が設けられて、コントローラ２０と連通している。オペレータ入力３０とは、それに限定はされないが、スロットルおよび点火装置（すなわち、燃料電池システムの始動および停止を命令する主要入力）を含む、ある数の可能な入力デバイスを総称して示すものである。スロットルの場合には、コントローラ２０は、所望の加速に基づいて燃料電池システム１０を調節する。例えば、オペレータは、主負荷１４に給電するために、燃料電池システム１０からの大きい出力を必要とする、急速な加速（例えば、静止状態からの車両加速）を要求することができる。点火装置の場合には、点火信号に、燃料電池システム１０の始動（すなわち、非作動状態から作動状態）、または燃料電池システムの停止（すなわち、作動状態から非作動状態）を指示させることができる。
【００１９】
燃料電池システム１０およびその動作についてのさらに詳細な説明は、ＸＸＸＸ年Ｘ月Ｘ日に出願され、弁理士処理番号ＧＰ−３０３０９７および８５４０Ｇ−０００１８５を付与された、Ｗｈｅａｔらによる、「Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｆｏｒ  Ｐａｒａｌｌｅｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔａｃｋｓ」という名称の同時係属中の米国特許出願第ＸＸ／ＸＸＸＸＸＸ号に記載されており、この開示を参照により本明細書に特に組み入れてある。
【００２０】
本発明のパージ制御は、燃料電池システム１０を停止または非作動状態にしたときに、新しく形成された水を燃料電池スタック１２からパージすることを可能にする。より具体的には、パージ制御は、最初に、Ｎ−１個の燃料電池スタック１２の第１の群を非作動状態にして、少なくとも１個の燃料電池スタック１２の第２の群を作動状態のままとする。この少なくとも１個の燃料電池スタック１２によって生成される電力が、圧縮機１６の給電に使用される。コントローラ２０は、非作動燃料電池スタック１２に関連するカソード入口弁２４を開放して、圧縮機１６からの加圧空気が、非作動燃料電池スタック１２のカソード流路を通過して流れることを可能にする。この加圧空気は、流路からの水を噴出させるか、またはパージして、燃料電池スタック１２から水を排出する。残りの燃料電池スタック１２は、圧縮機１６に給電するのに十分な電力だけを生成しているので、残りの燃料電池スタック１２の流路内では少量の水が形成される。所定のパージ期間が満了した後に、コントローラ２０が、残りの、パージしていない燃料電池スタック１２を非作動状態にして、燃料電池システム１０が停止する。
【００２１】
次に図２を参照すると、燃料電池システム１０の作動時に、パージ制御は、最初に、以前にパージされた燃料電池スタック１２を含む第３の群を作動させて、パージしていない燃料電池スタック１２を含む第４の群を非作動状態のままにする。作動燃料電池スタック１２は、パージしていない燃料電池スタック１２を作動させる以前に、パージしていない燃料電池スタック１２を余熱するように実装される。余熱はいくつかの方法で達成できることが予想される。非作動燃料電池スタック１２が、閾値温度において十分な時間、（例えば、ある温度で凍った水が溶けるのに十分な時間）保たれるとき、コントローラ２０は燃料電池スタック１２を作動させ、その結果、燃料電池システム１０内の燃料電池スタック１２のすべてが作動する。
【００２２】
加熱装置システム３２は、燃料電池スタック１２のそれぞれに関連する電気加熱装置３４に給電する。加熱装置システム３２は、作動燃料電池スタック１２によって給電される。加熱装置３４は概略を図示してあり、それに関連する燃料電池スタック１２と熱伝達可能に連通している。加熱装置３４は、燃料電池スタック１２に沿ってどこにでも設置することが可能であり、好ましくは、燃料電池スタック１２の両側に配置した２つの端板加熱装置３４を含む。非作動燃料電池スタック１２の加熱装置３４は、閾温度に達するか、または所定の時間、加熱が行われるまで、非作動燃料電池スタック１２を加熱する。
【００２３】
冷却液システム３６は、燃料電池スタック１２のそれぞれの温度を調節する。冷却液は、燃料電池スタック１２を通過して循環する。この冷却液は、燃料電池スタック１２を加熱または冷却する熱伝達流体として設けられる。例えば、燃料電池スタック構成要素が、それを通過して流れる冷却液よりも高温であれば、冷却液はその構成要素から熱を引き出し、それによって燃料電池スタック１２を冷却する。構成要素が、それを通過して流れる冷却液よりも低温であれば、この構成要素が冷却液から熱を引き出し、その結果、燃料電池スタック１２を暖める。作動燃料電池スタック１２が冷却液を加熱し、この冷却液は、非作動燃料電池スタック１２中をも循環する。高温の冷却液は、非作動燃料電池スタック１２の構成要素を加熱し、それによって非作動燃料電池スタックを余熱する。
【００２４】
キー・オンまたはキー・オフ事象によってトリガーされるのに加えて、凍結防止制御は、電力低減シナリオで実施される。より具体的には、ある状況においては、主負荷１４が燃料電池システム１０から消費する電力が低くなる。例えば、車両の場合には、主負荷１４は加速時に大量の電力を燃料電池システム１０から消費し、そのために燃料電池スタック１２のすべてを作動させる必要がある。巡航速度を維持するのに必要な電力は、より少なくなる。したがって、低電力シナリオにおいては、燃料電池スタック１２のいくつかを、非作動状態にすることができる。
【００２５】
コントローラ２０が、電力低減シナリオを認識すると、コントローラ２０は、その低電力要求を満たすのに必要な、燃料電池スタックの数（Ｍ）を求める。コントローラ２０は、（Ｎ−Ｍ）個の燃料電池スタック１２を非作動状態にする。残りの１つまたは複数の燃料電池スタック１２は、主負荷１４と補助負荷の両方に給電を続ける。非作動燃料電池スタック１２のカソード入口弁２４は、非作動燃料電池スタック１２のパージを可能にするために、開放される。
【００２６】
凍結防止制御は、燃料電池スタック１２間で交代して、パージ動作に給電する。より具体的には、コントローラ２０は、どの燃料電池スタック１２が作動状態にあって以前のパージ動作に給電したかを識別する。コントローラ２０は、次のパージ動作に給電するための、代替燃料電池スタック１２を選択する。コントローラ２０は、後続のパージ動作のために、燃料電池スタック１２全体を通して交代させる。このようにして、単独の燃料電池スタック１２が、パージ動作に給電するために連続的に使用されることはなく、燃料電池システム１０内の燃料電池スタック１２のすべてに負荷が分割される。その結果として、個々の燃料電池スタックの耐久性が向上する。
【００２７】
次に図３を参照して、本発明の凍結防止制御をより詳細に記述する。ステップ１００において、キー・オン事象が発生しているかどうかが判定される。キー・オン事象が発生している場合には、ステップ１０２へと制御が続く。キー・オン事象が発生していない場合には、ステップ１０４に続く。ステップ１０２において、以前にパージされた燃料電池スタック１２が作動される。ステップ１０６において、作動燃料電池スタック１２を使用して以前にパージされた燃料電池スタック１２が加熱される。加熱は、詳細に先述したように、電気加熱装置３４または冷却液システム３６のいずれかを使用して達成される。ステップ１０８において、以前にパージしていない燃料電池スタック１２が、十分に加熱された後に作動されて、制御が終了する。
【００２８】
ステップ１０４において、キー・オフ事象が発生しているかどうかが判定される。キー・オフ事象が発生している場合には、ステップ１１０へと制御が続く。キー・オフ事象が発生している場合には、ステップ１１２へと制御が続く。ステップ１１０において、１つを残してすべての燃料電池スタック１２が非作動状態にされる。ステップ１１４において、残りの燃料電池スタック１２によって生成される電力を使用して、非作動燃料電池スタック１２がパージされる。ステップ１１６において、残りの燃料電池スタック１２が、その他の燃料電池スタック１２が十分にパージされた後に非作動にされて、制御が終了する。
【００２９】
ステップ１１２において、主負荷１４から低電力要求があるかどうかが判定される。低電力要求がない場合には、ステップ１００へと折り返して戻る。低電力要求がある場合には、ステップ１１８において（Ｎ−Ｍ）個の燃料電池スタック１２が非作動状態にされる。ステップ１２０において、残りの燃料電池スタック１２によって生成される電力を使用して非作動燃料電池スタック１２がパージされて、制御が終了する。
【００３０】
以上の本発明についての説明は、本質的に例示的なものであり、したがって、本発明の要点から逸脱しない変形形態も、本発明の範囲に入れることを意図している。そのような変形形態は、本発明の趣旨と範囲からの逸脱とはみなすべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】電気的に並列に接続された複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムの概略図である。
【図２】燃料電池スタックの温度を調節する冷却液システムおよび加熱システムを示す、図１の燃料電池システムの概略図である。
【図３】本発明による凍結防止制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３２】
１０  燃料電池システム
１２  燃料電池スタック
１４  主負荷
１６  圧縮機
２０  システムコントローラ
２２  カソード入口マニホールド
２４  カソード入口弁
２６  アノード共通入口
２８  アノード入口弁
３０  オペレータ入力
３２  加熱装置システム
３４  電気加熱装置
３６  冷却液システム
【図１】
2005209648.tif 000003
【図２】
2005209648.tif 000004
【図３】
2005209648.tif 000005