(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
カソード入口空気流れを受け取り、カソード排気ガス流れを排出する燃料電池スタックと、
前記カソード入口空気流れを前記燃料電池スタックに提供するためのコンプレッサと、
前記カソード入口空気流れを前記コンプレッサから受け取り、前記カソード排気ガスを前記燃料電池スタックから受け取る水蒸気輸送装置であって、該水蒸気輸送装置は、前記カソード入口空気を加湿するため前記カソード排気ガス内の水蒸気を使用する、前記水蒸気輸送装置と、
前記カソード入口空気の相対湿度を制御するように前記カソード排気ガスの相対湿度を制御するためのコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、第１のグラフライン及び第２のグラフラインを備え、前記第１のグラフライン及び前記第２のグラフラインは、前記燃料電池スタックにより生成された電流密度の増大に応じてカソード圧力が増大することを示し、前記第１のグラフラインにより示されるカソード圧力の範囲は、前記第２のグラフラインにより示されるカソード圧力の範囲よりも大きく、
前記コントローラは、前記燃料電池スタックにより生成された電流密度が所定値より小さいか又は定常状態作動である場合、前記電流密度に基づいて前記燃料電池スタックのカソードを前記第１のグラフラインに従って作動させ、前記コントローラは、前記燃料電池スタックにより生成された電流密度が前記所定値より大きい場合、前記電流密度に基づいて前記燃料電池スタックのカソードを前記第２のグラフラインに従って作動させる、燃料電池システム。
【請求項２】
前記コントローラは、前記電流密度が前記所定値より大きく且つパワー遷移作動である場合、前記カソードを前記第２のグラフラインに従って作動させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記パワー遷移は、パワー上昇への遷移である、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記コントローラは、前記パワー上昇遷移の後、前記電流密度が前記所定値より小さくなるか又は定常状態になったとき、所定期間に亘って、前記第２のグラフラインにカソード圧力を維持する、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記所定期間は、６０秒である、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第２のグラフラインは、最大スタック電流密度を除く全スタック電流密度範囲内のスタック電流密度において、前記第１のグラフラインよりも高い圧力を提供する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
カソード排気ライン内に配置された背圧バルブを更に備え、前記コントローラは、前記カソード圧力を変化させるため前記背圧バルブを開閉する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第１のグラフラインは、より大きいシステム効率を提供し、前記第２のグラフラインは、より良好なカソード排気ガスの相対湿度制御を提供する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記第１のグラフラインにより示されるカソード圧力の範囲は、１０２ｋＰａ〜１４３ｋＰａであり、前記第２のグラフラインにより示されるカソード圧力の範囲は、１２０ｋＰａ〜１４３ｋＰａである、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記所定値は、０．１Ａ／ｃｍ２である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池システムであって、
カソード入口空気流れを受け取り、カソード排気ガス流れを排出する燃料電池スタックと、
前記カソード入口空気流れをコンプレッサから受け取り、前記カソード排気ガスを前記燃料電池スタックから受け取る水蒸気輸送装置であって、該水蒸気輸送装置は、前記カソード入口空気を加湿するため前記カソード排気ガス内の水蒸気を使用する、前記水蒸気輸送装置と、
前記カソード入口空気流れの相対湿度を制御するように前記カソード排気ガスの相対湿度を制御するためのコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、第１のグラフライン及び第２のグラフラインを備え、前記第１のグラフライン及び前記第２のグラフラインは、前記燃料電池スタックにより生成された電流密度の増大に応じてカソード圧力が増大することを示し、前記第１のグラフラインにより示されるカソード圧力の範囲は、前記第２のグラフラインにより示されるカソード圧力の範囲よりも大きく、
前記コントローラは、前記燃料電池スタックの電流密度が所定の電流密度より小さいか又は定常状態にある場合、前記燃料電池スタックのカソードを前記第１のグラフラインに従って作動させ、前記コントローラは、前記燃料電池スタックの電流密度が前記所定値より大きく且つ前記燃料電池スタックの電流密度が遷移する動的サイクルにある場合、前記燃料電池スタックのカソードを前記第２のグラフラインに従って作動させる、燃料電池システム。
【請求項１２】
前記第１のグラフラインにより示されるカソード圧力の範囲は、１０２ｋＰａ〜１４３ｋＰａであり、前記第２のグラフラインにより示されるカソード圧力の範囲は、１２０ｋＰａ〜１４３ｋＰａである、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記所定値は、０．１Ａ／ｃｍ２である、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記コントローラは、前記動的サイクルの後、前記電流密度が所定値より小さくなるか又は定常状態電流密度になったとき、所定期間に亘って、前記第２のグラフラインにカソード圧力を維持する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記所定期間は、６０秒である、請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記第２のグラフラインは、最大スタック電流密度を除く全スタック電流密度範囲内のスタック電流密度において、前記第１のグラフラインよりも高い圧力を提供する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記第１のグラフラインは、より大きいシステム効率を提供し、前記第２のグラフラインは、より良好なカソード排気ガスの相対湿度制御を提供する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
燃料電池スタックのカソード圧力を制御するための方法であって、
カソード入口空気を加湿するためカソード排気ガス内の水蒸気を使用し、
前記燃料電池スタックにより生成された電流密度が所定値より小さいか又は定常状態電流密度にある場合、前記電流密度に基づいて前記燃料電池スタックのカソードを第１のグラフラインに従って作動させ、
前記燃料電池スタッにより生成された電流密度が前記所定値より大きく且つ該電流密度が遷移する動的サイクルにある場合、前記電流密度に基づいて前記燃料電池スタックのカソードを第２のグラフラインに従って作動させる、各工程を備え、
前記第１のグラフライン及び前記第２のグラフラインは、前記燃料電池スタックにより生成された電流密度の増大に応じてカソード圧力が増大することを示し、前記第１のグラフラインにより示されるカソード圧力の範囲は、前記第２のグラフラインにより示されるカソード圧力の範囲よりも大きい、方法。
【請求項１９】
前記第１のグラフラインにより示されるカソード圧力の範囲は、１０２ｋＰａ〜１４３ｋＰａであり、前記第２のグラフラインにより示されるカソード圧力の範囲は、１２０ｋＰａ〜１４３ｋＰａである、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記所定値は、０．１Ａ／ｃｍ２である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記動的サイクルの後、前記電流密度が前記所定値より小さくなるか又は定常状態になったとき、所定期間に亘って、前記カソード圧力を前記第２のグラフラインに維持する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記第２のグラフラインは、最大スタック電流密度を除く全スタック電流密度範囲内のスタック電流密度において、前記第１のグラフラインよりも高い圧力を提供する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１のグラフラインは、より大きいシステム効率を提供し、前記第２のグラフラインは、より良好なカソード排気ガスの相対湿度制御を提供する、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、燃料電池スタックからのカソード排気ガスの相対湿度を制御するためのシステム及び方法に係り、より詳しくは、スタックのパワー遷移の間のスタック電流密度に基づいてカソード圧力の作動範囲を変更する工程を備える燃料電池スタックからのカソード排気ガスの相対湿度を制御するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、クリーンで燃料電池内に電気を効率的に生成するため使用することができるため、非常に魅力的な燃料である。水素燃料電池は、アノード及びカソードを備え、それらの間に電解質を備える電気化学式装置である。アノードは、水素ガスを受け取り、カソードは、酸素又は空気を受け取る。水素ガスは、自由な水素陽子及び電子を発生するためアノード内で分解される。陽子は、電解質を通ってカソードへと至る。水素陽子は、カソードにおいて、酸素及び電子と反応し、水を発生する。アノードからの電子は、電解質を通過することができず、よって、負荷を通るように差し向けられ、カソードに送られる前に仕事を実施する。
【０００３】
陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、車両のための人気のある燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池は、一般に、過フッ化スルホン酸等の固体ポリマー電解質陽子伝達膜を備えている。アノード及びカソードは、典型的には、通常ではプラチナ（Ｐｔ）等の細かく分割された触媒粒子を含んでおり、これらの粒子は、炭素粒子上に支持され、イオノマーと混合されている。触媒混合物は、膜の両側に配置されている。アノード触媒混合物、カソード触媒混合物及び膜の組み合わせは、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を形成する。膜電極アッセンブリは、製造する上で比較的高価であり、効率的な作動のため幾つかの条件を必要としている。
【０００４】
幾つかの燃料電池は、典型的には、所望の電力を発生させるため燃料電池内に結合されている。例えば、車両のための典型的な燃料電池スタックは、２百個以上も積み重ねられた燃料電池を持ち得る。燃料電池スタックは、カソード入力ガス、典型的には、コンプレッサによりスタックを通して流された空気の流れを受け取る。酸素の必ずしも全てが、スタックにより消費されるわけではなく、空気の中には、スタック副産物として水を含み得るカソード排気ガスとして出力されるものがある。燃料電池スタックは、アノード水素入力ガスを受け取り、該ガスは、スタックのアノード側部へと流れていく。
【０００５】
燃料電池スタックは、スタック中の幾つかのＭＥＡの間に配置された、一連の二極式プレートを備える。二極式プレート及び膜電極アッセンブリは２つの端部プレートの間に配置される。二極式プレートは、スタック内の隣接する燃料電池のためアノード側部及びカソード側部を備える。アノードガス流れチャンネルは、二極式プレートのアノード側部に設けられ、アノードガスが各々の膜電極アッセンブリへと流れることを可能にする。カソードガス流れチャンネルは、二極式プレートのカソード側部上に設けられ、カソードガスが各々の膜電極アッセンブリへと流れることを可能にする。一方の端部プレートはアノードガス流れチャンネルを備え、他方の端部プレートはカソードガス流れチャンネルを備えている。二極式プレート及び端部プレートは、例えばステンレス鋼又は導電性複合物等、導電性材料から作られている。端部プレートは、燃料電池により発生された電気をスタックから伝達する。二極式プレートは、流れチャンネルを更に備え、該流れチャンネルを通って、冷却流体が流れる。
【０００６】
過度のスタック温度は、膜及びスタック内の他の材料に損傷を及ぼし得る。燃料電池システムは、従って、燃料電池スタックの温度を制御するため熱的なサブシステムを用いている。特に、冷却流体は、スタック消費熱を散逸させるためスタック内の二極式プレートの冷却流体流れチャンネルを通してポンプで送り出しされる。通常の燃料電池スタック作動の間、ポンプの速度は、スタックの作動温度が最適な温度、例えば８０℃で維持されるように、スタックの負荷、周囲温度及び他の因子に基づいて制御される。ラジエータは、典型的にはスタック外部の冷却剤ループ内に設けられており、該ラジエータは、スタックにより加熱された冷却流体を冷却し、冷却された冷却流体はスタックを通して循環される。
【０００７】
当該技術分野で良く理解されているように、燃料電池内の膜は、膜に亘るイオン抵抗が陽子を効率的に伝導させるのに十分に低くなるように一定の相対湿度（ＲＨ）で作動する。例えば、スタック圧力、温度、カソード化学量論係数、及び、スタック内に入るカソード空気の相対湿度等の幾つかのスタック作動パラメータを制御することによって膜の相対湿度を制御するため、燃料電池スタックからのカソード出口ガスの相対湿度が制御される。スタックの耐久性の目的のためには、膜の相対湿度サイクルの数を最小にすることが望ましい。ＲＨの極端な状態は膜の寿命を大幅に制限することが示されたからである。膜のＲＨ循環は、水の吸収及び引き続く乾燥の結果として膜を伸縮させる。膜のこの伸縮は、膜内にピンホールを発生させ、膜を通した水素及び酸素の交差を形成し、膜内の孔のサイズを更に増大させるホットスポットを形成し、よってその寿命を減少させる。更には、燃料電池は、カソード出口ＲＨが１００％よりも低い場合に、溢れ状態となる傾向が少なくなる。また、スタック内の液体水を減少させることによって、スタック凍結の可能性を減少させるため停止時により容易にスタックを脱気することができる。
【０００８】
燃料電池の作動中には、膜電極アッセンブリからの湿気及び外部の湿気は、アノード及びカソードの流れチャンネルに入ることができる。低い電池パワー要求、典型的には０．２Ａ／ｃｍ２では、水は流れチャンネル内に蓄積し得る。反応ガスの流速は、非常に低く、水をチャンネルから流れ出させることができないからである。水が蓄積するにつれて、該水は、プレート材料の相対的な疎水性特性の故に、膨張し続ける液滴を形成する。液滴は反応ガスの流れに実質的に垂直に流れチャンネル内に形成する。液滴のサイズが増大するにつれて、流れチャンネルは、閉塞され、反応ガスは他の流れチャンネルへと逸らされる。チャンネルは、共通の入口及び出口マニホルドの間で平行になっているからである。反応ガスが、水でせき止められたチャンネルを通って流れることができないので、反応ガスは、水をチャンネルの外部に押し出すことはできない。チャンネルがせき止められた結果として反応ガスを受け取らない膜のこれらの領域は、電気を発生せず、よって、非均等な電流分布を形成し、燃料電池全体の効率を減少させる。水によりせき止められる流れチャンネルが多くなればなるほど、燃料電池により生成される電気は減少し、２００ｍＶより低い電池電位は電池の故障とみなされる。燃料電池は一般に電気的に直列に連結されているので、燃料電池の一つが実行停止されるならば、燃料電池スタック全体が実行停止し得る。
【０００９】
上述されたように、水は、スタック作動の副産物として発生される。従って、スタックからのカソード排気ガスは、水蒸気及び液体水を含む。当該技術分野では、カソード排気ガス内で水を捕捉し、該水をカソード入力空気流れを加湿するように使用するため、水蒸気輸送（ＷＶＴ）ユニットを使用することが知られている。
【００１０】
カソード出口ガスの相対湿度（ＲＨ）は、カソード化学量論係数、カソード出口ガスの圧力、及び、スタックから出る冷却流体の温度の関数である。ＲＨ制御の観点から、所望の相対湿度を維持するため、カソード化学量論係数、カソード出口ガス圧力、及び、カソード出口ガス温度を実質的に一定に維持することが望ましい。しかし、効率的で有効な性能を提供するため燃料電池システムが満たさなければならない幾つかの制限及び事実が存在する。
【００１１】
燃料電池システムのコントローラは、典型的にはカソード出口ガス圧力テーブルを使用する。該テーブルは、スタックにより発生された電流密度に応じた一定のカソード出口圧力を同定する。スタック電圧は圧力と共に増大するので、より高いカソード圧力は、一般に、スタック電流密度が増大するときに提供される。更には、アイドリング状態の高いカソード圧力は、有意なコンプレッサの寄生パワーを引き起こす。低いスタック電流密度に対しては、カソード圧力範囲の下方の端点は、約１０２ｋＰａであり、高いスタック電流密度に対しては、カソード圧力は、約１４３ｋＰａである。低い電流密度におけるカソード化学量論係数は、電圧の安定性を提供するようにカソード流れチャンネルから水を押しやるため、約５となり得る。高い電流密度におけるカソード化学量論係数は、コンプレッサの速度に関する制限の故に、約１．８となり得る。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の教えによれば、燃料電池スタックのための制御システムが開示され、該制御システムは、動的圧力範囲を減少させることによってカソード出口ガスの相対湿度制御を提供するためスタックのパワー遷移の間にカソード出口ガスの相対湿度を制御し、かくして、動的カソード出口ガスの相対湿度の範囲を制御する。一実施態様では、制御システムは、より良好なカソード出口ガスの相対湿度制御を提供するためスタックパワー遷移又は動的サイクルの間にスタック電流密度に基づいて第２のより幅が狭いカソード圧力範囲を使用し、コンプレッサの寄生パワーを減少させることによりシステム効率を改善するため低電流密度及び定常状態の電流密度の間にスタック電流密度に基づいて第１のより幅が広いカソード圧力範囲を使用する。
【００１３】
本発明の追加の特徴は、添付図面を参照して、次の説明及び添付された請求の範囲から明らかとなろう。
【実施例】
【００１４】
パワー遷移の間に、カソード圧力作動範囲を変更することによってカソード出口ガス相対湿度を制御する燃料スタックのための制御システムに関する本発明の実施例の次の説明は、本質上単なる例示にしか過ぎず、本発明又はその用途又は使用方法を制限することを意図したものではない。
【００１５】
図１は、燃料電池スタック１２を備える燃料電池システム１０の概略ブロック図である。スタック１２は、カソード入力ライン１４と、カソード出口ライン１６とを備える。コンプレッサ１８は、加湿されるべくＷＶＴ装置２０を通して送られるスタック１２のカソード側部のための空気流れを発生する。流量計２２は、コンプレッサからの空気の流速を測定する。加湿された空気は、ライン１４でスタック１２へと入力され、加湿されたカソード排気ガスは出力ライン１６で提供される。ライン１６のカソード排気ガスは、カソード入力空気を加湿するための水蒸気を提供するようにＷＶＴ装置２０を通して送られる。ＷＶＴ装置２０は、本明細書で説明した目的のため任意の適切なＷＶＴ装置とすることができる。
【００１６】
システム１０は、冷却剤ループ２８を通して冷却流れをポンプ出力するポンプ２４を備え、該冷却流れはスタック１２を通して流れる。スタック１２からの加熱された冷却流れは、ラジエータ３０を通して送られ、該ラジエータでは、該冷却流れが冷却剤ループ２８を通してスタック１２へと戻るため冷却される。システム１０は、スタック１２のカソード側部の圧力を制御するためＷＶＴ装置２０の後段にカソード排気ガスライン１４に配置された背圧バルブ４２を更に備えている。
【００１７】
システム１０は、幾つかの作動パラメータを検知するための幾つかのセンサを備えている。特に、システム１０は、ライン１４内でカソード入口空気の相対湿度を測定するためのＲＨセンサ３６と、ライン１４内でカソード入口空気の温度を測定するための温度センサ３４と、を備えている。ＲＨセンサ３６及び温度センサ３４の組み合わせの代わりに露点センサを使用することが知られている。温度センサ３８はスタック１２に入る冷却剤ループ２８内の冷却流体の温度を測定し、温度センサ２６はスタック１２から出る冷却流体の温度を測定する。圧力センサ３２は、ライン１６内のカソード排気ガスの圧力を測定する。当該技術分野で知られているように、カソード入口空気の測定された相対湿度は、スタック１２の温度が入口ライン１４の空気の温度と異なっているので、修正される必要がある。スタック１２に入る冷却流体の入口ＲＨ及び温度を知ることによって、カソード空気の修正された相対湿度を計算することができる。
【００１８】
コントローラ４０は、流量計２２からの流量信号、ＲＨセンサ３６からの相対湿度信号、温度センサ３４からの温度信号、温度センサ３８からの温度信号、温度センサ２６からの温度信号、及び、圧力センサ３２からの圧力信号を受け取る。コントローラ４０は背圧バルブ４２も制御する。
【００１９】
カソード出口相対湿度、カソードの化学量論係数及びカソード入口ＲＨを計算するための方程式が知られている。カソード出口相対湿度は次式によって計算することができる。
【００２０】
【数１】
0005324756.tif 000002
【００２１】
カソード化学量論係数は次式によって計算することができる。
【００２２】
【数２】
0005324756.tif 000003
【００２３】
カソード入口相対湿度のパーセンテージは次式によって計算することができる。
【００２４】
【数３】
0005324756.tif 000004
【００２５】
ここでＣＳはカソード化学量論係数であり、Ｔｉは摂氏単位でのスタック冷却流体出口温度、ＰｉはｋＰａ単位でのカソード出口圧力、Ｔ２は摂氏単位でのカソード入口温度、Ｐ２は既知のモデルに基づいて計算されたｋＰａ単位のカソード圧力降下、及び、Ｔ３は摂氏単位でのカソード流体入口温度である。
【００２６】
本発明によれば、コントローラ４０は、燃料電池スタック１２が、例えば０．１Ａ／ｃｍ２等の低い電流密度又はアイドリング時の電流密度であるか又は一定期間に亘って定常状態の電流密度にあるとき、背圧バルブ４２を制御することによってライン１８でのカソード排気ガスの圧力に関して例えば、１０２ｋＰａ〜１４３ｋＰａの、スタック電流密度に基づく動的圧力範囲を使用する。スタック１２が遷移電流密度、即ち動的サイクルにあるとき、カソード排気ガスの動的圧力範囲は、カソード排気ガスの相対湿度がライン１４のカソード入口空気を加湿するため望ましい相対湿度付近に維持されるように、例えば１２０ＫＰａ〜１４３ｋＰａの異なる範囲へと変更される。上述されたようにスタック１２の電流密度に応じてカソード圧力設定範囲の間で前後に切り替えることによって、カソード出口ガスのＲＨ制御における有意な改善を、パワー遷移の間に提供することができ、スタック１２がアイドリング電流密度又は定常状態の電流密度にあるとき低いコンプレッサ寄生パワーを減少させることができる。
【００２７】
図２は、水平軸上で電流密度、垂直軸上でカソード圧力を示したグラフであり、上述された２つのカソード動的圧範囲を示したものである。特に、グラフライン５０は、非常に低い電流密度における１０２ｋＰａと１．２Ａ／ｃｍ２の最大スタック電流密度における１４３ｋＰａとの間でカソード圧力範囲を提供するシステム効率のための既知の圧力制御テーブルとなる。本発明によれば、非常に低い電流密度における１２０ｋＰａと最大電流密度における１４３ｋＰａとの間の範囲を有する、グラフライン５２によって表された、第２の（上側）カソード圧力範囲が提供される。明らかなように、上側の圧力テーブルに対する圧力範囲は実質的に線形である。カソード出口ガス圧力のための圧力テーブルをパワー遷移の間又は動的サイクルの間の圧力ライン５２へと変更することによって、カソード出口ガスの相対湿度が増大し、かくして、カソード入口空気の相対湿度が所望の値にあることを可能としている。
【００２８】
制御アルゴリズムは、車両が定常状態か又はアイドリング状態へと戻るとき、パワー遷移が終了した後の例えば６０秒間の一定期間の間、より高い圧力テーブルに停留する。定常状態作動のためのより低い圧力テーブルは、上側圧力テーブルと同じ電流密度に対してより低いスタック圧力を提供し、かくして、システム効率を減少させるコンプレッサの寄生パワーを減少させる。従って、動的サイクルが停止された後では、早晩、より低い圧力テーブルへと戻ることが望ましい。
【００２９】
図３及び図４は、水平軸上で電流密度、垂直軸上でカソード圧力を示したグラフであり、２つのスタック作動条件に対してグラフライン５０及び５２によって同定されたカソード動的圧力範囲の間で切り替えるための本発明に係る２つのプロセスを示したものである。図３は、車両が比較的長い時間に亘ってアイドリング状態にあり、次に１．０Ａ／ｃｍ２まで加速し、最後にアイドリング状態へと戻るモデルを示している。アイドリング状態から、スタック電流密度は、グラフライン５０の動的圧力範囲上でライン６０に沿って約０．１Ａ／ｃｍ２にまで増加する。電流密度が０．１Ａ／ｃｍ２を超えたとき、圧力制御は、ライン６２上でグラフライン５２の動的圧力範囲まで切り替えられる。車両速度が上昇し、スタック電流密度がライン６４に沿って１．０Ａ／ｃｍ２まで増大するとき、動的圧力範囲は、グラフライン５２上に留まっている。スタックは、ライン６６上で０．１Ａ／ｃｍ２より低いアイドリング電流密度へと戻る。スタック電流密度が０．１Ａ／ｃｍ２より低く、所定時間に亘って保持された場合、コントローラはライン６８上のグラフライン５０の圧力テーブルへと戻る。代替例として、当該時間が過ぎる前に低いスタック電流密度から第２の加速が発生した場合、制御は、圧力ライン５２上に留まっている。
【００３０】
図４は、車両が比較的長い時間に亘ってアイドリング状態にあり、次に約１．０Ａ／ｃｍ２まで加速し、最後に約０．６Ａ／ｃｍ２で定常状態の電流密度にまで減少する、スタック作動状態を表している。車両がアイドリング状態から加速し始めた場合、圧力制御は、グラフライン５０上でライン７０に従い、次に、電流密度が０．１Ａ／ｃｍ２を超えたときライン７２上のグラフライン５２の圧力テーブルまで飛躍する。車両がアイドリング状態から加速したとき、圧力制御は、ライン７４により表されたグラフライン５２上に留まる。スタック電流密度がライン７６上で、１．０Ａ／ｃｍ２から約０．６Ａ／ｃｍ２まで減少し、所定期間、例えば１０秒間に亘って当該状態に留まった場合、圧力制御は、ライン７８上のグラフライン５０の圧力テーブルへと戻るように切り替えられる。
【００３１】
この態様でカソード出口ガスの相対湿度を制御することによって、燃料電池は、溢れ状態になる傾向を少なくする。カソード出口相対湿度が１００％より少ない場合、スタック１２内の液体水は、停止時により容易にスタック１２を脱気することを可能にするように減少され、凍結の懸念を減少させる。更に加えて、良好な相対湿度制御は、１００％の相対湿度回りのＭＥＡのＲＨサイクリングを少なくさせる。ＭＥＡのこれらの湿り／乾燥の遷移状態は、膜中で、より高い電圧による劣化及びピンホール形成の両方を引き起こす。
【００３２】
上記説明は、本発明の一例としての実施例を開示し説明したに過ぎない。当業者は、添付された請求の範囲で画定される本発明の精神及び範囲から逸脱すること無く、様々な変更、改良及び変形をなすことができることを、上記説明、添付図面及び請求の範囲から容易に認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明の一実施例に係る、カソード出口ガス相対湿度を制御するためのコントローラを備える燃料電池システムの概略ブロック図である。
【図２】図２は、水平軸上で電流密度、垂直軸上でカソード圧力を示したグラフであり、スタックがアイドル状態又は定常状態のいずれであるか、又は、スタックがパワー遷移中であるか否かに応じてスタックにより使用される２つの圧力範囲を示したものである。
【図３】図３は、水平軸上で電流密度、垂直軸上でカソード圧力を示したグラフであり、スタック作動条件のための２つの圧力範囲の間で切り替えるためのプロセスを示したものである。
【図４】図４は、水平軸上で電流密度、垂直軸上でカソード圧力を示したグラフであり、別のスタック作動条件のための２つの圧力範囲の間で切り替えるためのプロセスを示したものである。
【図１】
0005324756.tif 000005
【図２】
0005324756.tif 000006
【図３】
0005324756.tif 000007
【図４】
0005324756.tif 000008