(57)【要約】      （修正有）【課題】高電圧コンプレッサーの始動時使用を行わない方法の提案。【解決手段】燃料電池システムの始動を簡単にする燃料電池システムの機械化及び該システムを作動する方法が提供される。燃料電池システムは、高電圧コンプレッサを駆動するためバッテリーから引き出される高電圧電力を使用すること無く、始動することができる。本発明は、高電圧コンプレッサの初期使用無しに燃料電池スタックの始動を可能にするため燃料電池スタックのカソード側部に酸素を提供する低電圧ブロワ−３８の使用を提供する。低電圧電源４６及び／又は燃料電池スタック２２により生成された電圧により低電圧ブロワ−３８を電力供給することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックのアノード入口に接続された水素源と、該燃料電池スタックのカソード入口に接続された酸素源と、低電圧源と、を有し、前記カソード入口は高電圧コンプレッサ及び低電圧ブロワ−に接続されている燃料電池システムのための燃料電池始動の方法であって、
前記燃料電池スタックのアノード入口に水素を導入し、
前記燃料電池スタックのカソード入口に酸素を供給するため前記低電圧電源で前記低電圧ブロワ−を作動させ、
前記燃料電池スタックを用いて電圧出力を生成する、各工程を備える、方法。
【請求項２】
前記カソード入口に追加の酸素を供給するため前記コンプレッサを介して前記燃料電池スタックに電気的負荷を適用し、
前記カソード入口に追加の酸素を供給するため前記コンプレッサを介して前記燃料電池スタックに適用された電気的負荷を時間の経過と共に増大させる、各工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記燃料電池スタックの電圧出力を監視する工程を更に備え、
前記コンプレッサを介して前記燃料電池スタックに電気的負荷を適用する工程は、前記燃料電池スタックの電圧出力が所定値に達した後に開始される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記コンプレッサを介して前記燃料電池スタックに適用された電気的負荷を時間の経過と共に増大させる工程は、漸次的に実行される、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記燃料電池スタックに適用された電気的負荷を増大させる工程は、電子コントローラにより実行され、該コントローラは、該燃料電池スタックに負荷をかけ、該燃料電池スタックの電池電圧が増大したとき該燃料電池スタックにかかる前記負荷を増大させるため、前記燃料電池スタックの電池電圧を監視し、コンプレッサモーターを指令する、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記燃料電池スタックに適用された電気的負荷を増大させる工程は、正の正味電力で作動するのに十分な電力を前記燃料電池スタックが発生するまで実行される、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記アノード入口に水素を導入する工程は、前記アノード入口への水素の流れを解放するためバルブを開放させる工程を備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記バルブは、手動で開放される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記バルブは、電子ソレノイドにより開放される、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記燃料電池スタックの電圧出力が増大するとき、時間の経過と共に前記ブロワ−の作動を減少させる工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記燃料電池スタックの電圧出力が所定値に達したとき、前記ブロワ−の作動を終了する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記燃料電池スタックの電圧出力が前記コンプレッサの作動を支持するのに十分となったとき、前記ブロワ−の作動を終了する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
燃料電池スタックのアノード入口に接続された水素源と、該燃料電池スタックのカソード入口に接続された酸素源と、を有し、前記カソード入口は高電圧コンプレッサ及び低電圧ブロワ−に接続され、前記燃料電池スタックのカソード側部は始動前に酸素を含んでいる、燃料電池システムのための燃料電池始動の方法であって、
前記燃料電池スタックを用いて電圧を生成するため該燃料電池スタックのアノード入口に水素を導入し、
前記ブロワ−を介して前記燃料電池スタックのカソード入口に追加の酸素を供給するため前記燃料電池スタックの電圧で前記低電圧ブロワ−を作動させ、
前記燃料電池スタックにより生成された電圧を時間の経過と共に増大させる、各工程を備える、方法。
【請求項１４】
前記カソード入口に追加の酸素を供給するため前記コンプレッサを介して前記燃料電池スタックに電気的負荷を適用し、
前記カソード入口に追加の酸素を供給するため前記コンプレッサを介して前記燃料電池スタックに適用された電気的負荷を時間の経過と共に増大させる、各工程を更に備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記燃料電池スタックの電圧出力を監視する工程を更に備え、
前記コンプレッサを介して前記燃料電池スタックに電気的負荷を適用する工程は、前記燃料電池スタックの電圧出力が所定値に達した後に開始される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記コンプレッサを介して前記燃料電池スタックに適用された電気的負荷を時間の経過と共に増大させる工程は、漸次的に実行される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記燃料電池スタックに適用された電気的負荷を増大させる工程は、電子コントローラにより実行され、該コントローラは、該燃料電池スタックに負荷をかけ、該燃料電池スタックの電池電圧が増大したとき該燃料電池スタックにかかる前記負荷を増大させるため、前記燃料電池スタックの電池電圧を監視し、コンプレッサモーターを指令する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記燃料電池スタックに適用された電気的負荷を増大させる工程は、正の正味電力で作動するのに十分な電力を前記燃料電池スタックが発生するまで実行される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記アノード入口に水素を導入する工程は、前記アノード入口への水素の流れを解放するためバルブを開放させる工程を備えている、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記バルブは、手動で開放される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記バルブは、電子ソレノイドにより開放される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記燃料電池スタックの電圧出力が増大するとき、時間の経過と共に前記ブロワ−の作動を減少させる工程を更に備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項２３】
前記燃料電池スタックの電圧出力が所定値に達したとき、前記ブロワ−の作動を終了する工程を更に備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項２４】
前記燃料電池スタックの電圧出力が前記コンプレッサの作動を支持するのに十分となったとき、前記ブロワ−の作動を終了する工程を更に備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項２５】
燃料電池スタックのアノード入口に接続された水素源と、該燃料電池スタックのカソード入口に接続された酸素源と、を有し、前記カソード入口は高電圧コンプレッサ及び低電圧ブロワ−に接続されている、燃料電池システムのための燃料電池作動の方法であって、
前記燃料電池スタックの通常の作動が必要とされていないとき該燃料電池スタックを待機モードで作動させる工程を備え、
前記燃料電池スタックを待機モードで作動させる工程は、
前記燃料電池スタックの電圧を監視し、
前記燃料電池スタックの電圧を所定の最小値以上に維持する、各工程を備えており、
前記燃料電池スタックの電圧を所定の最小値以上に維持する工程は、
前記燃料電池スタックのアノード入口に水素を選択的に導入し、
前記低電圧ブロワ−を介して前記燃料電池スタックのカソード入口に追加の酸素を供給するため前記燃料電池スタックの電圧で前記低電圧ブロワ−を選択的に作動させる、各工程によってなされている、方法。
【請求項２６】
前記燃料電池スタックの通常の作動が必要とされているとき前記待機モードから前記燃料電池スタックを始動する工程を更に備え、
前記待機モードから前記燃料電池スタックを始動する工程は、
前記燃料電池スタックのアノード入口に水素を導入し、
前記ブロワ−を介して前記燃料電池スタックのカソード入口に追加の酸素を供給し、
前記燃料電池スタックにより生成された電圧を時間の経過と共に増大させる、各工程を備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記燃料電池スタックを始動する工程は、
前記カソード入口に追加の酸素を供給するため前記コンプレッサを介して前記燃料電池スタックに電気的負荷を適用し、
前記カソード入口に追加の酸素を供給するため前記コンプレッサを介して前記燃料電池スタックに適用された電気的負荷を時間の経過と共に増大させる、各工程を更に備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記燃料電池スタックを始動する工程は、前記燃料電池スタックの電圧出力を監視する工程を更に備え、
前記コンプレッサを介して前記燃料電池スタックに電気的負荷を適用する工程は、前記燃料電池スタックの電圧出力が所定値に達した後に開始される、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記コンプレッサを介して前記燃料電池スタックに適用された電気的負荷を時間の経過と共に増大させる工程は、漸次的に実行される、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記燃料電池スタックに適用された電気的負荷を増大させる工程は、電子コントローラにより実行され、該コントローラは、該燃料電池スタックに負荷をかけ、該燃料電池スタックの電池電圧が増大したとき該燃料電池スタックにかかる前記負荷を増大させるため、前記燃料電池スタックの電池電圧を監視し、コンプレッサモーターを指令する、請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
前記燃料電池スタックに適用された電気的負荷を増大させる工程は、正の正味電力で作動するのに十分な電力を前記燃料電池スタックが発生するまで実行される、請求項２７に記載の方法。
【請求項３２】
前記アノード入口に水素を導入する工程は、前記アノード入口への水素の流れを解放するためバルブを開放させる工程を備えている、請求項２６に記載の方法。
【請求項３３】
前記バルブは、手動で開放される、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記バルブは、電子ソレノイドにより開放される、請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
前記燃料電池スタックを始動する工程は、前記燃料電池スタックの電圧出力が増大するとき、時間の経過と共に前記ブロワ−の作動を減少させる工程を更に備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項３６】
前記燃料電池スタックを始動する工程は、前記燃料電池スタックの電圧出力が所定値に達したとき、前記ブロワ−の作動を終了する工程を更に備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項３７】
前記燃料電池スタックを始動する工程は、前記燃料電池スタックの電圧出力が前記コンプレッサの作動を支持するのに十分となったとき、前記ブロワ−の作動を終了する工程を更に備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項３８】
前記燃料電池スタックを待機モードで作動させる工程は、水素を導入し前記ブロワ−を作動させる前に、前記燃料電池スタックの電圧が所定値まで減少することを可能にする工程を更に備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項３９】
前記燃料電池スタックの待機モードでの作動中に、前記燃料電池スタックの電圧が所定値まで減少することを可能にする工程が、繰り返し実行される、請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
前記燃料電池スタックの待機モードでの作動中に、前記燃料電池スタックの電圧が所定値まで減少することを可能にされると共に、水素が導入されず、前記ブロワ−が作動されていない、請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
前記燃料電池スタックを待機モードで作動させる工程は、前記燃料電池スタックのアノード入口に水素の定常軽量流れを導入し、前記ブロワ−を介して前記燃料電池スタックのカソード入口に酸素の定常軽量流れを供給する、各工程を備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項４２】
前記燃料電池スタックの電圧を維持する工程は電子コントローラにより実行され、該電子コントローラは、前記燃料電池スタックの電池電圧を監視し、水素の選択的導入及び前記ブロワ−の選択的作動を指令する、請求項２５に記載の方法。
【請求項４３】
燃料電池システムであって、
アノード入口を備えるアノード側部と、カソード出口を備えるカソード側部とを有する燃料電池スタックであって、該燃料電池スタックは、前記アノード側部の水素含有反応物と、前記カソード側部の酸素含有反応物とを電流、アノード流出物及びカソード流出物に変換するように作動可能である、前記燃料電池スタックと、
前記アノード入口に接続された水素含有反応物源と、
前記カソード入口に接続された酸素含有反応物源と、
前記カソード入口に接続され、前記酸素含有反応物源から該カソード入口まで酸素含有反応物を供給するように作動可能である、低電圧ブロワ−と、
前記カソード入口に接続され、前記酸素含有反応物源から該カソード入口まで酸素含有反応物を供給するように作動可能である、高電圧コンプレッサと、
を備える、燃料電池システム。
【請求項４４】
低電圧電源を更に備え、該低電圧電源は前記ブロワ−を駆動させる、請求項４３に記載の燃料電池システム。
【請求項４５】
前記低電圧電源は、バッテリーである、請求項４４に記載の燃料電池システム。
【請求項４６】
前記低電圧電源は、コンデンサである、請求項４４に記載の燃料電池システム。
【請求項４７】
前記コンプレッサは、前記燃料電池スタックにより電力供給される、請求項４３に記載の燃料電池システム。
【請求項４８】
前記コンプレッサは、一旦、前記燃料電池スタックが所定値を超える電圧を生成すると、該燃料電池スタックにより電力供給される、請求項４７に記載の燃料電池システム。
【請求項４９】
前記ブロワ−は、前記燃料電池スタックにより電力供給される、請求項４３に記載の燃料電池システム。
【請求項５０】
前記酸素を含む反応物の流れは、周囲の空気である、請求項４３に記載の燃料電池システム。
【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係り、より詳しくは、周囲空気及び低電圧ブロワ−を使用した燃料電池システムを始動する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、多数の用途で電源として使用されてきた。例えば、燃料電池は、内燃エンジンに取って代わるため電気車両電源プラントで使用するため提案された。陽子交換膜（ＰＥＭ）形式の燃料電池では、水素が燃料電池のアノードに供給され、酸素がカソードに供給される。ＰＥＭ燃料電池は、薄い陽子伝達性の非導電固体ポリマー電解質膜を含む膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を有し、該ポリマー電解質の面の一方にアノード触媒を有し、その反対側の面にカソード触媒を有している。ＭＥＡは、アノード及びカソードのための電流コレクターとして機能する一対の導電要素の間に挟まれており、該一対の導電要素は、夫々のアノード及びカソード触媒の表面に亘って燃料電池ガス状反応物を分布させるため、適切なチャンネル及び／又は開口部を備えている。典型的なＰＥＭ燃料電池及びその膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）は、１９９３年１２月２１日及び１９９４年５月３１日に各々発行され、ゼネラル・モーターズ・コーポレーションに譲渡された、米国特許番号５，２７２，０１７号及び５，３１６，８７１号に記載されている。
【０００３】
「燃料電池」という用語は、その文脈に応じて、典型的には、単一の電池又は複数の電池のいずれかに言及するため使用されている。複数の個々の電池は、燃料電池スタックを形成するため一緒に共通に束ねられている。スタック内部の各々の電池は、前述したＭＥＡを備え、そのようなＭＥＡの各々は、電圧の増分を提供する。スタック内の多数電池の典型的な配列は、ゼネラル・モーターズ・コーポレーションに譲渡された米国特許番号５，７６３，１１３号に記載され、ここで参照したことにより本願に組み込まれる。
【０００４】
燃料電池システムの始動の間、コンプレッサは、水素が燃料電池アノード入口に導入される間に燃料電池カソード入口に圧縮空気又は酸素を提供するためしばしば利用される。多くの燃料電池システムは、現在、出力電力が燃料電池スタックから利用可能となる前にコンプレッサを始動し作動させるため大型のバッテリーパックを使用している。大型のバッテリーパックは、コンプレッサのため必要となる高電圧を提供するため様々なＤＣ／ＤＣコンバータと共に利用されている。通常、１つ以上のＤＣ／ＤＣコンバータが、スタックレベルまでのバッテリー電圧を得るために必要とされ、別のＤＣ／ＤＣコンバータが、該スタックレベルからコンプレッサモーターレベルまでの電圧を得るため必要とされる。大型のバッテリーパック及びＤＣ／ＤＣコンバータは、燃料電池システムの重量、体積及びコストにおいて相当程度占めることになる。
【特許文献１】米国特許番号５，２７２，０１７号
【特許文献２】米国特許番号５，３１６，８７１号
【特許文献３】米国特許番号５，７６３，１１３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のように、燃料電池システムの簡素化を達成し、並びに、燃料電池システムの質量、体積及びコストを減少させることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
従って、本発明は、コンプレッサを駆動するためバッテリー駆動式の高電圧電力を使用すること無しに燃料電池システムの始動を簡単にするため提供される。本発明は、燃料電池スタックの始動を高電圧コンプレッサの初期の使用無しに可能にするため燃料電池スタックのカソード側部に酸素を提供するため低電圧ブロワ−の使用を提供する。低電圧ブロワ−は、低電圧電源及び／又は燃料電池スタックにより生成された電圧により電力供給される。
【０００７】
本発明の原理に係る燃料電池システムは、アノード入口を備えるアノード側部と、カソード出口を備えるカソード側部とを有する燃料電池スタックを備える。該燃料電池スタックは、アノード側部の水素含有反応物と、カソード側部の酸素含有反応物とを電流、アノード流出物及びカソード流出物に変換するように作動可能である。水素含有反応物源は、アノード入口に接続され、酸素含有反応物源は、カソード入口に接続される。酸素含有反応物源から酸素含有反応物を供給するように作動可能である低電圧ブロワ−は、カソード入口に接続される。酸素含有反応物源から酸素含有反応物を供給するように作動可能である高電圧コンプレッサは、カソード入口に接続される。
【０００８】
本発明の一態様では、燃料電池システムのための燃料電池始動の方法は、（１）燃料電池スタックのアノード入口に水素を導入し、（２）燃料電池スタックのカソード入口に酸素を供給するため低電圧電源でブロワ−を作動させ、（３）燃料電池スタックを用いて電圧出力を生成する、各工程を備える。
【０００９】
本発明の別の態様では、燃料電池スタックのカソード側部は始動前に酸素を含み、低電圧ブロワ−は、燃料電池スタックにより電力供給される。カソード側部における酸素の存在は、例えば、燃料電池スタックのパージ作動、燃料電池スタックを停止する前の酸素の高いラムダ値での作動、及び、カソード側部に酸素をプリロードする動作等の様々な作動因子の結果となり得る。この態様では、本方法は、（１）燃料電池スタックを用いて電圧を生成するため該燃料電池スタックのアノード入口に水素を導入し、（２）ブロワ−を介して燃料電池スタックのカソード入口に追加の酸素を供給するため燃料電池スタックの電圧で低電圧ブロワ−を作動させ、（３）燃料電池スタックにより生成された電圧を時間の経過と共に増大させる、各工程を備える。
【００１０】
本発明の異なる態様では、燃料電池スタックは、通常の作動が要求されているとき燃料電池スタックを始動させるため使用することができる最小電圧出力を維持するように作動される。この方法では、燃料電池スタックの通常の作動が必要とされていないとき該燃料電池スタックは待機モードで作動される。待機モードの場合、燃料電池スタックの電圧が監視され、燃料電池スタックの電圧が所定の最小値以上に維持される。当該電圧を所定の最小値以上に維持するため、水素が燃料電池スタックのアノード入口に選択的に導入され、低電圧ブロワ−が、燃料電池スタックのカソード入口に酸素を供給するため燃料電池スタックの電圧で選択的に作動される。
【００１１】
本発明の応用可能性の更なる領域は、後述される詳細な説明から明らかとなるであろう。詳細な説明及び特定例は、本発明の好ましい実施例を示しているが、その例を図示する目的のみのためであり、本発明の範囲を制限するものではない。
【００１２】
本発明は、詳細な説明及び添付図面からより完全に理解されるようになるであろう。
【実施例】
【００１３】
好ましい実施例の次の説明は、単にその本質上例示にしか過ぎず、本発明、その用途、又は、使用法を制限するものではない。
本発明は、燃料電池システム２０に関し、特に、燃料電池スタックの始動が、コンプレッサを駆動するためバッテリーから引き出される高電圧パワーを使用すること無しに実行することができるところの燃料電池システムに関する。好ましい実施例では、燃料電池システム２０は、当該技術分野で周知されているように、水素源２４と酸素源２６とに接続されている燃料電池スタック２２を備えている。概観すると、燃料電池スタック２２は、複数の膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を備え、該膜電極アッセンブリの各々は複数の二極式プレートの間に配置されている。当該技術分野で知られているように、スタックは、複数のガス分配層と、複数のアノードマニホルドと、複数のカソードマニホルドと、複数の冷却剤マニホルドと、端部プレートとを各々備えていてもよく、全てが積み重ねられた関係で配列されている。ＭＥＡ及び二極式プレートのシーケンスは、燃料電池スタック２２のための所望の電圧出力を提供するため繰り返される。当該技術分野で知られているように、各々のＭＥＡは、薄い陽子伝達性非導電性固体ポリマー電解質の形態の膜を備えている。アノード触媒層は、膜の一方の表面に形成され、カソード触媒層は、膜の反対側表面に形成されている。本発明の目的のために、燃料電池スタック２２の構造は、任意の既知の構成を持つことができる。
【００１４】
水素源２４は、当該技術分野で知られているように、燃料処理装置又は蓄積された水素を含むことができる。水素供給バルブ２８（手動、及び／又は、電動ソレノイド制御）が、燃料電池スタック２２のアノード入口３０に水素を提供するため水素源２４と連通した状態で提供されている。水素供給バルブ２８は、手動で操作され、及び／又は、電動ソレノイドにより作動させることができる。水素供給バルブ２８は、押しボタン又は他の形式の結合構成手段により最初に手動で操作され、次に、十分なパワーが利用可能であるか又は燃料電池システム２０により発電されるときには、ソレノイドを介して電気的に作動されてもよい。所望ならば、機械的タイマー（図示せず）又は類似の装置を、それが始動の間に水素供給バルブ２９の開状態を手動で維持する必要性を回避するため電気的に制御することができるまで、水素供給バルブ２９の開状態を維持するため使用することができる。
【００１５】
空気又は純粋酸素の形態の酸素は、高電圧コンプレッサ２０と連通している酸素源２６により燃料電池システム２０に供給される。該コンプレッサは、カソードガス通路２６を介して燃料電池スタック２０のカソード入口３４に酸素を配給する。酸素源２６は、カソードガス通路２６を介して燃料電池スタック２０のカソード入口３４に酸素を分配する低電圧ブロワ−３８とも連通している。かくして、酸素を、カソードガス通路３６を介してコンプレッサ３２及び／又はブロワ−３８のいずれかからカソード入口３４を介して燃料電池スタック２２のカソード側部に供給することができる。一対の逆止バルブ４０、４２は、カソードガス通路３６と、コンプレッサ３２及びブロワ−３８の各々との間に配置されている。逆止バルブ４０、４２は、酸素が、ブロワ−３８及びコンプレッサ３２の各々によって供給されているとき、コンプレッサ３２又はブロワ−３８への酸素の逆流を防止する。代替の構成では、図３に示されるように、ブロワ−３８及びコンプレッサ３２は、互いに直列に配置されている。本実施例では、コンプレッサ３２は、ブロワ−３８により提供された酸素の直接的な流れが該コンプレッサを通過することを可能にする。この形態は、一対の逆止バルブ４０、４２の必要性を無くし、よって、燃料電池システム２０のコストを減少させることができる。一実施例は、ブロワ−３８、３８’としてのラジエータファンを使用する。ファンの空気の全て又は一部分は、（図１及び図２に示されるように）逆止バルブ４２、４２’へとダクトで送られるか、又は、（図３に示されるように）コンプレッサ３２、３２’の入口へとダクトで送られる。現存するラジエータファン及びモーターを利用することは、本システムにおいて追加のブロワ−のコストを回避する。図３への追加のオプションは、コンプレッサ３２、３２’が、限定的なブロワ−３８、３８’を通して空気を引き込む際に問題を有する場合に、ブロワ−の回りにバイパスバルブ４３を提供する手段を備えている。
【００１６】
コンプレッサ３２は、燃料電池スタック２２から電力が供給されるモーター４４により駆動される。しかし、ブロワ−３８は、高電圧電源４６から電力が供給される。電源４６は、様々な形態を取り得る。例えば、電源４６は、低電圧バッテリー、又は、電気二重層コンデンサ等の低電圧コンデンサのいずれであってもよい。通常の作動の間に燃料電池スタック２２の電力出力で電源４６を充電することができる。
【００１７】
コントローラ４８は、モーター４４及びブロワ−３８の作動を制御し、並びに、燃料電池スタック２２の電池の電圧レベルを検出するため、提供される。コントローラ４８は、低電圧電源４６からパワーを提供され、次に、作動中に燃料電池スタック２２から提供される。低電圧電源４６と接続されたコントローラ４８は、それが電気的に制御されているとき水素供給バルブ２８の作動を制御するため使用することもできる。本願で使用されている「低電圧」及び「高電圧」という用語は相対的な用語であり、「低電圧」は約５０ボルト以下の電圧を示し、「高電圧」は約５０ボルトを超える電圧を示していることが理解されるべきである。
【００１８】
燃料電池システム２０を作動させる好ましい方法は、コンプレッサ３２を駆動するためバッテリーから引き出される高電圧パワーを使用すること無く燃料電池システムの始動を提供する。本発明の方法によれば、水素源２４からの水素がアノード流れチャンネル内に流れ込むことを可能にするためバルブ２８を開放することによって水素がアノード入口３０に供給される。バルブ２８は、押しボタンか又は電力を与えること無しにバルブ２８を開放するように作動可能な他の機械式装置を介して手動で開放されるか、又は、コントローラ４８が例えばソレノイド式の作動バルブ２８等の装置に信号を送出することにより、開放される。ブロワ−３８は、酸素源２６から酸素をカソード流れチャンネル及び燃料電池スタック２２に供給する作動を開始するためコントローラ４８により指令される。ブロワ−３８は、低電圧電源４６により電力供給される。水素及び酸素の供給は、燃料電池スタック２２が、より多くの水素及び酸素が燃料電池スタック２２に供給され、該スタックにより消費されるとき、燃料電池スタック２２が、時間と共に増大する電圧出力を生成し始めることを可能にする。コントローラ４８は、燃料電池スタック２２からの電圧を監視する。燃料電池スタック２２の電圧出力が増大するとき、酸素源２６からカソード入口３４へ追加の酸素を供給するため、コンプレッサ３２を、オンラインで接続して燃料電池スタック２２の電圧出力により駆動させることができる。
【００１９】
詳しくは、電力が燃料電池スタック２２により発生されたことをコントローラ４８が判定したとき、モーター４４は、燃料電池スタック２２のカソード流れチャンネルに追加の空気を提供するため燃料電池スタック２２に負荷を適用してコンプレッサ３２をゆっくりと駆動し始めるように指令される。次に、燃料電池スタック２２に連結された負荷は、本システムが通常の作動条件の下で作動するため十分な正味の電力を生成するまで、モーター４４の負荷を増大させることにより次第に増大していく。好ましくは、コンプレッサ３２は、燃料電池スタック２２の電圧出力が所定値に達するまで作動しないのがよい。この所定値は、燃料電池システム２０の設計、低電圧電源４６により電力供給されたときブロワ−３８を介したカソード流れチャンネルへの空気の供給を可能とする燃料電池スタック２２の電圧出力、並びに、燃料電池スタック２２の電圧を、モーター４４及びコンプレッサ３２を駆動するのに十分な値にまで昇圧するため使用されるＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）の数及び能力に基づいて選択される。モーター４４及びコンプレッサ３２の駆動開始前に燃料電池スタック２２の電圧出力が高くなるほど、燃料電池スタック２２の電圧出力をモーター４４及びコンプレッサ３２を作動させるため要求された高電圧レベルにまで上げることを必要とするＤＣ／ＤＣコンバータの数を減らすことができる。即ち、より高い電圧が燃料電池スタック２２により生成されるまでのモーター４４及びコンプレッサ３２の作動の遅延は、モーター４４及びコンプレッサ３２の作動を実行する前の燃料電池スタック２２のより高い初期電圧出力に起因して電圧出力を昇圧させるため必要とされるＤＣ／ＤＣコンバータの数を減少させる。
【００２０】
コンプレッサ３２が燃料電池スタック２２のカソード流れチャンネルに追加の空気を供給するため作動されるとき、ブロワ−３８の作動を減少させることができる。即ち、燃料電池スタック２２の電圧出力が、モーター４４及びコンプレッサ３２を駆動し始めるのに十分となる量にまで増大するとき、ブロワ−３８の作動が減少される。一旦、燃料電池スタック２２の電圧出力が所定値に到達し、及び／又は、一旦、燃料電池スタック２２の電圧出力が、コンプレッサ３２が燃料電池スタック２２により要求される空気の全てを供給して通常の作動レベルにまで電圧出力を増大し続けることを可能にするレベルでコンプレッサ３２の作動を支持するのに十分となるならば、燃料電池スタック２２の電圧出力が増大するとき、ブロワ−３８の作動を、時間と共に減少させることができる。
【００２１】
始動の間の燃料電池システム２０の制御は、代替方法で操作することができる。一つの方法が、電池電圧を監視し、電池電圧を理に適ったレベルに維持する仕方で燃料電池スタック２２に負荷を与えるようにコンプレッサモーター４４を指令するためコントローラ４８を使用することである。コンプレッサ３２が空気を流し始め、このことが空気流れセンサー又はマニホルド圧力センサー５０からの信号によって検出されたとき、より多くの水素をバルブ２８の更なる開口部を介して流れるように指令することができ、より多くのコンプレッサ負荷を印加することができる。このような所謂雪合戦効果は、本システムを、正の正味のパワー条件まで上昇させることを可能にする。システムが正の正味パワーを提供することができるので、コントローラ４８は、燃料電池スタック２２の電圧出力が増大し、及び／又は、空気の流れに依存するとき、センサー５０により検出されるとき、燃料電池スタック２２のカソード流れチャンネル内に流れる空気が増加するとき、作動を終了し始めるようにブロワ−３８を指令することができる。ブロワ−３８の作動は、燃料電池スタック２２の所定の電圧出力が達成されたとき終了し、システム２０は、正の正味のパワーを提供することができ、及び／又は、コンプレッサ３２は燃料電池スタック２２に要求量の空気を供給するのに十分なレベルで作動するときに終了する。
【００２２】
別の代替方法は、燃料電池スタック２２、ブロワ−３８及びコンプレッサ３２の始動時の振る舞いを、指令された水素流れとブロワ−３８及びコンプレッサ３２の実行された作動とが開ループ制御ベースで取り扱うことができる制御ポイントへと特徴付けることであろう。換言すれば、水素の導入とブロワ−３８による空気のこれに関連する供給とコンプレッサモーター４４に印加された結果的な負荷とは、始動の間に、アノード入口３０に供給される水素の導入、ブロワ−３８の制御、及び、コンプレッサモーター４４の制御を、システムの始動を達成するためコンピュータ実行式の（又は専用回路制御式の）タイムスケジュールに従って制御することができるように、そのタイムスケジュールによって特徴付けることができる。このシナリオでは、電池電圧の監視工程は、必要とされず、これによって電子制御手段を簡単化することができる。
【００２３】
かくして、この機構並びに本発明の原理に係る方法によれば、始動時において、必要とされる全ては、コントローラ４８、ブロワ−３８及び水素供給バルブ２８（電子的に制御されるとき）を作動させるための低電圧電源４６である。燃料電池スタック２２は、空気をカソード側部に供給するための高電圧コンプレッサ３２の代わりに低電圧ブロワ−３８を使用することによって始動される。これは、燃料電池システム２０において遥かに小型の電源を利用することを可能にし、低電圧を、コンプレッサ３２を電力供給するための高電圧まで昇圧するため使用されるＤＣ／ＤＣコンバータの数及びコストを減少させる。
【００２４】
代替実施例では、図２に示されるように、本発明は、燃料電池スタック２２’により生成されたパワーを使用して燃料電池システム２０’の始動を提供する。燃料電池システム２０’は、図１に示された燃料電池システム２０とほぼ同じである。低電圧電源４６バルブが燃料電池システム２０’及びコントローラ４８’には与えられていないという相違点があるとき、その結果、水素供給バルブ２８’（電子的に制御されるとき）及びブロワ−３８’は、コントローラ４８’により制御されるとき燃料電池スタック２２’によりパワー供給される。
【００２５】
本発明は、燃料電池スタック２２’から引き出されたパワーだけを使用して燃料電池システム２０’を始動させる方法を提供する。これが達成されるところの第１の方法は、燃料電池スタック２２’の作動を停止するとき、燃料電池スタック２２’のカソード流れチャンネルに酸素又は空気を残す態様で、燃料電池スタック２２’を作動させることによってなされる。換言すれば、燃料電池スタック２２’は、停止されるとき、燃料電池スタック２２’を始動することが望まれるときに燃料電池スタック２２’のカソード流れチャンネルに酸素が存在することを確実にする態様で作動される。燃料電池スタック２２’は、停止されるとき、燃料電池スタック２２’を始動することが望まれるときに燃料電池スタック２２’のカソード流れチャンネルに酸素が存在することを確実にする態様で作動される。燃料電池スタック２２’は、燃料電池スタック２２’を始動するのが望まれるとき燃料電池スタック２２’のカソード流れチャンネルに酸素が存在することを確実にするため停止手続きの間に多数の異なる態様で作動させることができる。これを達成するための一つの方法は、停止手続きの間で燃料電池スタック２２’のアノード及びカソードの流れチャンネルを酸素又は空気でパージすることによってなされる。パージ処理は、燃料電池スタック２２’の流れチャンネル内に蓄積されたパージ水と共にアノード流れチャンネルから水素の大部分又は全てをパージする。燃料電池スタック２２’を停止前に空気でパージすることによって、燃料電池スタック２２’を始動することが所望されるとき、燃料電池スタック２２’のカソード流れチャンネル及びアノード流れチャンネルの両方において空気又は酸素が存在することになる。
【００２６】
電池スタック２２の始動時に燃料電池スタック２２’のカソード流れチャンネルに酸素又は空気が存在するようにする別の方法は、燃料電池スタック２２’を停止する前に燃料電池スタック２２’のカソード流れチャンネルに過剰量の酸素又は空気を提供することである。換言すれば、酸素又は空気は、燃料電池スタック２２’のアノード流れチャンネルにある所定量の水素に基づいて要求される化学量論通りの量よりも遥かに多い濃度即ち量でカソード流れチャンネルに供給される。その結果は、燃料電池スタック２２’が停止されたとき、カソード流れチャンネル内の酸素およびアノード流れチャンネル内の水素は、消費され続け、燃料電池スタック２２’は、開回路電圧を生成する。開回路電圧は、燃料電池スタック２２’の夫々のアノード及びカソードの流れチャンネルに存在する水素及び酸素が消費されるので、時間と共に減少する。過剰量の酸素又は空気がカソード流れチャンネルに提供されることによって、燃料電池スタック２２’のアノード流れチャンネルにある水素の全てが消費されるとき、カソード流れチャンネルには酸素又は空気がまだ残っており、これらを燃料電池スタック２２’の始動の間に使用することができる。
【００２７】
始動作動の前に燃料電池スタック２２’のカソード側部に酸素を提供する別の方法は、カソード流れチャンネル内に酸素をプリロードすることである。これは、各々のカソード及びアノードの流れ内にある残りの酸素及び水素が消費されるとき、燃料電池スタック２２’を停止し、燃料電池スタック２２’の開回路電圧出力を監視することにより達成することができる。スタック電圧が所定レベルにまで低下したとき、コントローラ４８’は、燃料電池スタック２２’に、酸素又は空気の与圧をカソード流れチャンネルにプリロード又は提供するため燃料電池スタック２２’のカソード入口３４’に酸素を供給するようにブロワ−３８’を指令する。プリロードプロセスの間にカソード流れチャンネルに供給される所定量の酸素は、燃料電池スタック２２’のアノード流れチャンネル内に残っている水素が消費された後に残っている所望量の酸素を有するために十分であるべきである。かくして、燃料電池スタック２２’の次回の始動手続きのためカソード流れチャンネル内に酸素が存在することを確実にするように、燃料電池スタック２２’を停止させることができる少なくとも３つの異なる方法が存在する。
【００２８】
本発明の方法によれば、燃料電池スタック２２’を始動させることが望まれるとき、開放バルブ２８’によって水素がアノード入口３０’に供給される。このとき、該開放バルブは、源２４’からの水素がアノード流れチャンネル内に流れることを可能にする。アノード流れチャンネル内の水素及びカソード流れチャンネル内の現存する空気又は酸素は、燃料電池スタック２２’により電力を発生させることを可能にする。
【００２９】
コントローラ４８’が、燃料電池スタック２２’により電力が発生されていると判定したとき、コントローラ４８’は、燃料電池スタック２２’からパワーを引き出し、酸素源２６’から燃料電池スタック２２’のカソード入口３４’まで追加の酸素を供給し始めるように、ブロワ−３８’を指令する。コントローラ４８’は、水素供給バルブ２８’の制御も引き継ぐ。燃料電池スタック２２’の電圧は、各々のカソード及びアノード流れチャンネルに存在する酸素及び水素の結果として増大する。コントローラ４８’は、センサー５０’を用いて、カソード入口３４’に供給される空気の量を監視し、これに従って、入口３４’に供給される酸素又は空気の量を調整することができる。
【００３０】
燃料電池スタック２２’により生成された電圧が増大するとき、コントローラ４８’は、燃料電池スタック２２’に負荷を印加するようにモーター４４’を指令し、該モーターはゆっくりとコンプレッサ３２’を駆動し始め、燃料電池スタック２２’のカソード流れチャンネルに追加の空気又は酸素を提供する。燃料電池スタック２２’に結合された負荷は、本システムが通常の作動条件の下で作動するため十分な正味のパワーを発生するまで、モーター４４’の負荷を増大させることによって次第に増大していく。燃料電池スタック２２’の電力生成を作動レベルにまで増大し続けるため、燃料電池スタック２２’による電力の生成が燃料電池スタック２２’のカソード流れチャンネルに必要な量の酸素を供給するレベルでコンプレッサ３２’を駆動するのに十分となるとき、ブロワ−３８’の作動は、段階的に停止される。
【００３１】
ブロワ−３８’、コンプレッサ３２’及びバルブ２８’の制御は、図１に示されるように、燃料電池システム２０を参照して上述されたものとほぼ同じである。従って、燃料電池スタック２２’により生成された電圧を監視するため、並びに、ブロワ−３８’、コンプレッサ３２’及び／又はバルブ２８’の作動を制御するため、コントローラ４８’を使用することができる。燃料電池システム２０’は、コントローラ４８’が燃料電池スタック２２’の電圧出力を監視する必要性無しに、開ループ制御ベースで作動させることができる。かくして、低電圧源を使用すること無く、低電圧ブロワ−３８’の使用を通して、燃料電池システム２０’を始動させることができる。これによって、燃料電池スタック２２’の作動を開始するため必要とされるＤＣ／ＤＣコンバータのコスト及び数量を減少させることができる。
【００３２】
本発明は、低電圧電源を備えていない燃料電池システムの作動の代替方法も開示する。詳しくは、本発明は、燃料電池システム２０’のための代替方法を提供し、燃料電池スタック２２’の通常の作動が必要とされないときは何時でも、燃料電池スタック２２’を待機モードに維持する。この方法では、燃料電池スタック２２’は、燃料電池スタック２２’の始動を可能にするためブロワ−３８’に低電圧電力を供給するためのバッテリーとして作動される。
【００３３】
本方法によれば、燃料電池スタック２２’は、燃料電池スタック２２’の通常の作動が必要とされないとき待機モードで作動される。即ち、燃料電池スタック２２’の通常の作動が望まれるとき、該燃料電池スタック２２’が該燃料電池スタック２２’の始動の間に利用することができる電圧出力を有するように燃料電池スタック２２’は待機モードに維持される。待機モードにおける燃料電池スタック２２’の作動は、燃料電池スタック２２’が前段階で発生した通常の作動状態から停止された状態から開始する。燃料電池スタック２２’の電圧は、該燃料電池スタック２２’の各々のカソード及びアノードの流れチャンネル内に残っている酸素及び水素が消費されるとき減少することを可能にされている。燃料電池スタック２２’の電圧出力は、コントローラ４８’により監視され、所定の最小値以上に維持されている。即ち、燃料電池スタック２２’の電圧出力が所定の最小値以上に維持されるように、追加の電圧を生成するように作動される前に燃料電池スタック２２’の電圧が予め定められたレベルに減少することを可能にされている。
【００３４】
当該電圧を所定の最小値以上に維持するために、コントローラ４８’は、燃料電池スタック２２’の電圧出力を監視し、適宜、燃料電池スタック２２’のアノード入口３０’に追加の水素を導入するため水素バルブ２８’を指令し、燃料電池スタック２２’のカソード入口３４’に酸素源２６’からの追加の酸素を供給するためブロワ−３８’を指令する。燃料電池スタック２２’の各々のアノード側部及びカソード側部に追加の水素及び酸素を選択的に追加することによって、燃料電池スタック２２’の電圧出力を制御し、所定の最上値よりも上に維持することができる。追加の酸素及び／又は水素の追加は、酸素及び水素が消費されるとき、燃料電池スタック２２’の電圧出力を増大又は維持させる。燃料電池スタック２２’により生成された電力は、コントローラ４８’がバルブ２８’及びブロワ−３８’を介して燃料電池スタック２２’の各々のアノード側部及びカソード側部に水素及び酸素が供給されるように再び指令するときのレベルに達するまで、再び低下又は減少することを可能にする。このプロセスは、燃料電池スタック２２’の通常の作動が必要とされ、始動作動が開始されるときまで続行する。代替例として、コントローラ４８’は、燃料電池スタック２２’の電圧出力を所定の最小値以上に維持するため、燃料電池スタック２２’の各々のアノード側部及びカソード側部に水素及び酸素の定常軽量流れを供給するように水素バルブ２８’及びブロワ−３８’を指令することができる。いずれの態様の場合であっても、コントローラ４８’、バルブ２８’及びブロワ−３８’を作動させるため十分な電力が燃料電池スタック２２’により生成されるように、燃料電池スタック２２’の電圧出力は、所定の最小値以上に維持される。
【００３５】
燃料電池スタック２２’の通常の作動が必要とされるとき、燃料電池スタック２２’の作動は、待機モードから始動モードへと切り替えられる。始動モードの間、燃料電池スタック２２’は、燃料電池システム２０’を始動するための低電圧電源として機能する。低電圧電源の有用性は、燃料電池システム２０’に関連して及び／又は燃料電池システム２０に関連して上述された方法のうちの一つを使用して燃料電池システム２０’を始動することを可能にする。燃料電池スタック２２’の電圧出力は、低電圧電源４６の電圧出力の代わりに使用される。
【００３６】
従って、本発明は、高電圧コンプレッサの代わりに低電圧ブロワ−を利用する燃料電池システムの始動を提供する。低電圧ブロワ−の使用は、高電圧コンプレッサを駆動するため低電圧電力を高電圧電力に変換するためのＤＣ／ＤＣコンバータを提供する必要性を無くす。低電圧ブロワ−は、燃料電池システムを始動させるため必要とされる低電圧電源のサイズを減少させる。本発明は、燃料電池スタックにより生成される電力以外の電源の存在無しに、燃料電池システムを始動させ、作動させることができるように燃料電池スタックを低電圧電源として利用することができる態様を開示している。
【００３７】
燃料電池システム２０、２０’への変更及び変形を本発明の精神及び範囲から逸脱すること無しに用いることができることが理解されるべきである。例えば、逆止バルブ４０，４２は、コンピュータ制御式ソレノイドバルブで置換することができる。逆止バルブ４０、４２は、ブロワ−及びコンプレッサからの空気流れを段階的に調整する三方バルブで置換することもできる。かくして、本発明の記載は、本質上、単なる例示であり、よって、本発明の要旨から逸脱しない変更は、本発明の範囲内にあることが意図されている。そのような変更は、本発明の精神及び範囲からの逸脱としてみなすべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明の原理に従って、コンプレッサを駆動するためバッテリーから引き出される高電圧パワーを使用すること無しに燃料電池を始動することができる燃料電池システムの好ましい実施例の概略図である。
【図２】図２は、本発明の原理に従って、コンプレッサを駆動するためバッテリーから引き出される高電圧パワーを使用すること無しに燃料電池を始動することができる燃料電池システムの代替実施例の概略図である。
【図３】図３は、本発明の原理に係る低電圧ブロワ−及び高電圧コンプレッサの代替配列の概略図である。
【図１】
2005259692.tif 000003
【図２】
2005259692.tif 000004
【図３】
2005259692.tif 000005
【外国語明細書】
2005259692000001.pdf