(57)【要約】電気化学セルシステムのための方法及び装置を提供する。電気化学セルシステムは電気化学セルと、前記電気化学セルに多量のエネルギーを提供するために構成されたエネルギー源と、前記電気化学セルからのガス出力と動作可能なように連絡された、前記ガス出力のパラメータを示す出力シグナルを提供する感知装置と、前記感知装置と動作可能なように連絡されたコンピュータと、を含む。コンピュータは第１のオペレーショナルパラメータを保存するように構成された記憶装置と、出力シグナルのデジタル表示と前記第１のオペレーショナルパラメータを受信するように構成されたプロセッサとを含む。プロセッサは出力シグナルのデジタル表示を第１のオペレーショナルパラメータと比較し、電気化学セルに提供されるエネルギーの量を調節する。
2004505415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学セルと、
前記電気化学セルに多量のエネルギーを提供するために構成されたエネルギー源と、
前記電気化学セルからのガス出力と動作可能に連絡され、前記ガス出力のパラメータを示す出力シグナルを提供する感知装置と、
前記感知装置と動作可能に連絡されたコンピュータであって、前記コンピュータは、
第１のオペレーショナルパラメータを保存するように構成された記憶装置と、
前記出力シグナルのデジタル表示と前記第１のオペレーショナルパラメータを受信し、前記出力シグナルの前記デジタル表示を前記第１のオペレーショナルパラメータと比較し前記電気化学セルに提供する前記エネルギーの量を調節するプロセッサと、
を含むコンピュータと、
を備える電気化学セルシステム。
【請求項２】
前記ガス出力の前記パラメータは前記ガス出力の圧力である請求項１に記載される電気化学セルシステム。
【請求項３】
前記第１のオペレーショナルパラメータは所望のガス出力圧を示し、前記記憶装置はさらに第２のオペレーショナルパラメータを保存するように構成され、前記第２のオペレーショナルパラメータは前記所望のガス出力圧に対する圧力変動限界を示し、
前記プロセッサは、前記ガス出力の前記圧力が前記所望のガス出力圧よりも、前記圧力変動限界よりも大きな量だけ低い場合前記エネルギー源に増加シグナルを提供する請求項２に記載される電気化学セルシステム。
【請求項４】
前記プロセッサは、前記ガス出力の前記圧力が前記圧力変動限界よりも大きな量だけ前記所望のガス出力圧を超える場合前記エネルギー源に減少シグナルを提供する請求項３に記載される電気化学セルシステム。
【請求項５】
前記第１のオペレーショナルパラメータはガス出力圧に対する上限設定点を示し、前記プロセッサは、前記ガス出力の前記圧力がガス出力圧に対する前記上限設定点を超えると前記エネルギー源に減少シグナルを提供する請求項２に記載される電気化学セルシステム。
【請求項６】
前記第１のオペレーショナルパラメータはガス出力圧に対する下限設定点を示し、前記プロセッサは、前記ガス出力の前記圧力がガス出力圧に対する前記上限設定点より低いと前記エネルギー源に増加シグナルを提供する請求項２に記載される電気化学セルシステム。
【請求項７】
前記第１のオペレーショナルパラメータは所定の期間にわたるガス出力圧の予測増加を示し、前記プロセッサは前記所定の期間にわたり前記出力シグナルをモニタし前記ガス出力圧の変化を決定し、前記ガス出力圧の前記変化が前記予測増加よりも小さいと前記エネルギー源に中断シグナルを提供する請求項２に記載される電気化学セルシステム。
【請求項８】
前記第１のオペレーショナルパラメータは所定の期間にわたるガス出力圧の予測増加を示し、前記プロセッサは前記所定の期間にわたり前記出力シグナルをモニタし前記ガス出力圧の変化を決定し、前記プロセッサは前記ガス出力圧の前記変化が前記予測増加よりも小さいとアラームにシグナルを提供する請求項２に記載される電気化学セルシステム。
【請求項９】
前記プロセッサは前記電気化学セルへの前記エネルギー量に基づき前記第１のオペレーショナルパラメータを決定する請求項７に記載される電気化学セルシステム。
【請求項１０】
前記エネルギー量を示すシグナルは前記エネルギー源からのフィードバックとして前記プロセッサに提供される請求項９に記載される電気化学セルシステム。
【請求項１１】
前記プロセッサ及び前記不揮発性記憶装置は遠隔コンピュータに動作可能に結合され、前記遠隔コンピュータは前記第１のオペレーショナルパラメータを前記不揮発性メモリに提供するように構成される請求項１に記載される電気化学セルシステム。
【請求項１２】
前記プロセッサは前記エネルギー源からのフィードバックに基づき前記第１のオペレーショナルパラメータを決定する請求項１に記載される電気化学セルシステム。
【請求項１３】
ガス出力のパラメータを感知して前記パラメータを示す感知シグナルを作成する工程と、
所定の値と所定の変動を記憶装置から検索する工程と、
前記感知シグナルを前記所定の値と比較する工程と、
前記感知シグナルと前記所定の値との差が前記所定の変動よりも大きな量である場合電源にシグナルを提供する工程と、
前記電源への前記シグナルに応じて前記電源の出力を調節する工程と、
を含む前記電源に電気的に接続された電気セルからの前記ガス出力を制御するための方法。
【請求項１４】
前記パラメータは前記ガス出力の圧力であり、前記所定の値は所定の圧力を示す請求項１０に記載される方法。
【請求項１５】
さらに、
前記所定の値及び前記所定の変動を遠隔コンピュータから前記記憶装置に提供する工程を含む請求項１０に記載される方法。
【請求項１６】
さらに、
前記電源からのフィードバックに基づき前記所定の値及び前記所定の変動の少なくとも１つを調節する工程を含む請求項１０に記載される方法。
【請求項１７】
ガス出力のパラメータを感知して前記パラメータを示す感知シグナルを作成する工程と、
所定の上限値を記憶装置から検索する工程と、
前記感知シグナルを前記所定の上限値と比較する工程と、
前記感知シグナルが前記所定の上限値より大きい場合電源に低シグナルを提供する工程と、
前記低シグナルに応じて前記電源の出力を低くする工程と、
を含む前記電源に電気的に接続された電気化学セルからの前記ガス出力を制御する方法。
【請求項１８】
さらに、
記憶装置から所定の低値を検索する工程と、
前記感知シグナルを前記所定の低値と比較する工程と、
前記感知シグナルが前記所定の低値よりも低い場合前記電源に増加シグナルを提供する工程と、
前記増加シグナルに応じて前記電源の出力を増加させる工程と、
を含む請求項１７に記載される方法。
【請求項１９】
前記パラメータは前記ガス出力の圧力であり、前記所定の上限値はガス出力圧に対する上限設定点を示し、前記所定の低値はガス出力圧の下限設定点を示す請求項１８に記載される方法。
【請求項２０】
さらに、
前記所定の高値と前記所定の低値とを遠隔コンピュータから前記記憶装置に提供する工程を含む請求項１８に記載される方法。
【請求項２１】
さらに、
前記電源からのフィードバックに基づき前記所定の高値と前記所定の低値の少なくとも１つを調節する工程を含む請求項１８に記載される方法。
【請求項２２】
ガス出力のパラメータを感知して前記パラメータを示す感知シグナルを作成する工程と、
記憶装置から一定期間にわたる前記パラメターの予測増加を示す所定の値を検索する工程と、
前記所定の期間にわたり前記感知シグナルをモニタして前記パラメータの増加を決定する工程と、
前記パラメータの前記増加が前記パラメータの前記予測増加よりも小さい場合アラーム及び電源のうちの１以上にシグナルを提供する工程と、
を含む前記電源に電気的に接続された電気化学セルからの前記ガス出力を制御する方法。
【請求項２３】
さらに、
前記シグナルに応じて前記電源の出力を中断する工程を含む請求項２２に記載される方法。
【請求項２４】
さらに、
前記シグナルに応じてアラームを作動させる工程を含む請求項２２に記載される方法。
【請求項２５】
前記パラメータは前記ガス出力の圧力である請求項２２に記載される方法。
【請求項２６】
さらに、
遠隔コンピュータから前記記憶装置に前記所定の値を提供する工程を含む請求項２２に記載される方法。
【請求項２７】
さらに、
前記電源からのフィードバックに基づき前記所定の値を調節する工程を含む請求項２２に記載される方法。
【請求項２８】
さらに、
前記電気化学セルへの前記エネルギー量に基づき前記所定の値を決定する工程を含む請求項２２に記載される方法。
【請求項２９】
電源に電気的に接続された電気化学セルからのガス出力を制御するための機械可読プログラム命令を用いて符号化された記憶媒体であって、その記憶媒体は、
前記ガス出力のパラメータを示す感知シグナルを受信する工程と、
記憶装置から所定の値と所定の変動を検索する工程と、
前記感知シグナルを前記所定の値と比較する工程と、
前記感知シグナルと前記所定の値との差が前記所定の変動よりも大きな量である場合前記電源にシグナルを提供する工程と、
を含む方法を機械に実装させるための命令を含む記憶媒体。
【請求項３０】
前記パラメータは前記ガス出力の圧力であり、前記所定の値は所定の圧力を示す請求項２９に記載される記憶媒体。
【請求項３１】
コンピュータに、
前記所定の値と前記所定の変動を遠隔コンピュータから受信する工程を実装させるための命令をさらに含む請求項２９に記載される記憶媒体。
【請求項３２】
コンピュータに、
前記電源からのフィードバックに基づき前記所定の値および前記所定の変動のうちの少なくとも１つを調節する工程を実装させるための命令をさらに含む請求項２９に記載される記憶媒体。
【請求項３３】
電源に電気的に接続された電気化学セルからのガス出力を制御するための機械可読プログラム命令を用いて符号化された記憶媒体であって、その記憶媒体は、
前記ガス出力のパラメータを示す感知シグナルを受信する工程と、
記憶装置から所定の高値を検索する工程と、
前記感知シグナルを前記高値と比較する工程と、
前記感知シグナルが前記所定の高値よりも大きい場合前記電源に低シグナルを提供する工程と、
を含む方法を機械に実装させるための命令を含む記憶媒体。
【請求項３４】
コンピュータに、
記憶装置から所定の低値を検索する工程と、
前記感知シグナルを前記所定の低値と比較する工程と、
前記感知シグナルが前記所定の低値よりも小さい場合前記電源に増加シグナルを提供する工程と、を実装させるための命令をさらに含む請求項３３に記載される記憶媒体。
【請求項３５】
前記パラメータは前記ガス出力の圧力であり、前記所定の高値はガス出力圧に対する上限設定点を示し、前記所定の低値はガス出力圧に対する下限設定点を示す請求項３４に記載される記憶媒体。
【請求項３６】
コンピュータに、
遠隔コンピュータから前記所定の高値を受信する工程を実装させるための命令をさらに含む請求項３４に記載される記憶媒体。
【請求項３７】
コンピュータに、
前記電源からのフィードバックに基づき前記所定の高値及び前記所定の低値のうちの少なくとも１つを調節する工程を実装させるための命令をさらに含む請求項３４に記載される記憶媒体。
【請求項３８】
電源に電気的に接続された電気化学セルからのガス出力を制御するための機械可読プログラム命令を用いて符号化された記憶媒体であって、その記憶媒体は、
前記ガス出力のパラメータを示す感知シグナルを受信する工程と、
記憶装置から、所定の期間にわたる前記パラメータの予測増加を示す所定の値を検索する工程と、
前記所定の時間にわたり前記感知シグナルをモニタし前記パラメータの増加を決定する工程と、
前記パラメータの前記増加が前記パラメータの前記予測増加よりも小さい場合アラーム及び前記電源のうちの１以上にシグナルを提供する工程と、
を含む方法を機械に実装させるための命令を含む記憶媒体。
【請求項３９】
前記パラメータは前記ガス出力の圧力である請求項３８に記載される記憶媒体。
【請求項４０】
コンピュータに、
遠隔コンピュータから前記所定の値を受信する工程を実装させるための命令を含む請求項３８に記載される記憶媒体。
【請求項４１】
コンピュータに、
前記電源からのフィードバックに基づき前記所定の値を調節する工程を実装させるための命令を含む請求項３８に記載される記憶媒体。
【請求項４２】
コンピュータに、
前記電気化学セルへの前記エネルギー量に基づき前記所定の値を決定する工程を実装させるための命令を含む請求項３８に記載される記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願のクロスレファレンス
この出願は２０００年７月２０日に出願された米国暫定特許出願番号第６０／２１９，５２８号の利益を主張する。この出願については、全体として明細書に組み込むものとする。
【０００２】
（背景技術）
電気化学セルはエネルギー変換装置であり、通常電解電池（セル：ｃｅｌｌ）または燃料電池に分類される。プロトン交換膜セルは電解により水を分解し水素と酸素ガスを発生させることにより水素発生器として機能することができると共に、水素を酸素と電気化学的に反応させ電気を発生させることにより燃料電池として機能することができる。図１では、アノード送り（フィード：ｆｅｅｄ）電解セル１００の例示的な実施の形態の部分断面が図示されている。プロセス水１０２は酸素電極（アノード）１１６の側でセル１００に送り込まれ酸素ガス１０４、電子及び水素イオン（プロトン）１０６が形成される。反応は、アノード１１６に電気的に接続された電源１２０の正端子及び水素電極（カソード）１１４に接続された電源１２０の負端子により促進される。酸素ガス１０４及びプロセス水１０８の一部はセル１００から出て行き、プロトン１０６及び水１１０はプロトン交換膜１１８を横切ってカソード１１４まで移動し、そこで水素ガス１１２が形成される。
【０００３】
図１と同様の構成を使用した水電解セルの他の例示的な実施の形態はカソード送りセルである。この場合プロセス水は水素電極側で供給される。一部の水はカソードから膜を横切ってアノードまで移動し、そこではアノードとカソードに接続された電源により促進される反応により水素イオンと酸素ガスが形成される。プロセス水の一部は膜を通らずにセルのカソード側から出て行く。
【０００４】
燃料電池も図１と同様の構成を使用する。水素ガスは水素電極（燃料電池のアノード）に導入され、酸素または空気などの酸素含有ガスが酸素電極（燃料電池のカソード）に導入される。水もまた供給ガスと共に導入することができる。燃料電池動作用の水素ガスは純粋な水素供給源、炭化水素、メタノールあるいは燃料電池動作に適した純度（すなわち、触媒の作用を損なわせたりセル動作を妨害しない純度）の水素を供給する任意の他の水素供給源から発生させることができる。水素ガスは電気化学的にアノードで反応し、プロトン及び電子が発生する。この場合、電子はアノードから電気的に接続された外部負荷を通って流れ、プロトンは膜を通ってカソードまで移動する。カソードでは、プロトンと電子は酸素と反応し水が形成される。アノードとカソードを横切る電気電位を利用して外部負荷に電力供給することができる。
【０００５】
他の例示的な実施の形態では、１つのシステム内で１以上の電気化学セルを使用し、水を電気分解して水素と酸素を発生させると共に必要に応じて水素と酸素を水に戻すことにより電気を発生させることができる。そのようなシステムは通常再生燃料電池システムと呼ばれる。
【０００６】
電気化学セルシステムは一般に何層にも積み重ねられてスタックとして配列された多くの個々のセルを含み、動作流体がスタック構造内に形成された入力及び出力コンジットを介してセルを通るように誘導される。スタック内のセルは連続して配列され、各々がカソードと、プロトン交換膜と、アノードとを含む。各カソード／膜／アノードアセンブリ（以後、「膜電極アセンブリ」または「ＭＥＡ」と呼ぶ）はカソードと流体連絡された第１の流れ場と、アノードと流体連絡された第２の流れ場とを含む。ＭＥＡはさらに、スクリーンパックまたはバイポーラプレートなどのセルの特別な構成により規定される流れ場内に配置された様々な異なる構造の任意の１つにより両側を支持されてもよい。これらにより、流体のＭＥＡまで、およびＭＥＡからの移動、および膜の水和が容易になる。
【０００７】
電気化学セルシステムでは、水素ガスの出力圧を使用してセルの生成率（ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｒａｔｅ）を制御することができる。そのようなシステムでは、圧力変換器がセルの下流の水素圧をモニタし対応する電気シグナルを発生させる。この電気シグナルがアナログ制御回路に提供され、電解セルに供給される電力が制御される。アナログ制御回路は手作業で調節されるポテンシオメータ（ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒ）を含み、これにより出力値（例えば圧力）に対応する基準電圧を手作業で設定することができる。コンパレータ回路が電気シグナルを基準電圧と比較する。コンパレータ回路の出力がパルス幅変調器に提供され、変調器は電気セルに対するシリコン制御整流器型の電源を制御する。そのような手作業制御装置の１つの欠点は基準電圧の遠隔制御に欠けることである。他の欠点はフィードバックシステムとの直接統合ができないことである。
【０００８】
現存の電気化学セルシステム出力装置は所期の目的に適するが、依然として、特に使用の容易さ、制御の容易さおよびフィードバックの一体化に関する改良が必要である。
【０００９】
（発明の開示）
従来技術の上記欠点および短所は、電気化学セルと、多量のエネルギーを電気化学セルに提供するように構成されたエネルギー源と、電気化学セルからのガス出力と動作可能に連絡され、ガス出力のパラメータを示す出力シグナルを提供する感知装置と、感知装置と動作可能に連絡されたコンピュータと、を備える電気化学セルシステムにより克服または軽減される。コンピュータは第１の動作（オペレーショナル：ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ）パラメータを保存するように構成された記憶装置と、出力シグナルのデジタル表示と第１のオペレーショナルパラメータを受信するように構成されたプロセッサとを含む。プロセッサは出力シグナルのデジタル表示を第１のオペレーショナルパラメータと比較し、電気化学セルに提供されるエネルギー量を調整する。
【００１０】
電源に電気的に接続された電気化学セルからのガス出力を制御するための方法は、ガス出力のパラメータを感知しそのパラメータを示す感知シグナルを作成する工程と、記憶装置から所定の値と所定の変動を検索する工程と、感知シグナルを所定の値と比較する工程と、感知シグナルと所定の値との差が所定の変動よりも大きな量である場合電源にシグナルを提供する工程と、シグナルに応じて電源の出力を調節する工程と、を含む。
【００１１】
他の実施の形態では、電源に電気的に接続された電気化学セルからのガス出力を制御する方法は、ガス出力のパラメータを感知しそのパラメータを示す感知シグナルを作成する工程と、記憶装置から所定の高値（ｕｐｐｅｒ　ｖａｌｕｅ）を検索する工程と、前記感知シグナルを前記所定の高値と比較する工程と、前記感知シグナルが前記高値よりも大きい場合前記電源に低シグナルを提供する工程と、前記低シグナルに応じて前記電源の出力を低くする工程と、を含む。
【００１２】
他の実施の形態では、電源に電気的に接続された電気化学セルからのガス出力を制御する方法は、ガス出力のパラメータを感知しそのパラメータを示す感知シグナルを作成する工程と、記憶装置から一定期間にわたるパラメータの予測増加を示す所定の値を検索する工程と、一定期間にわたり感知シグナルをモニタし前記パラメータの増加を決定する工程と、前記パラメータの増加が前記パラメータの予測増加よりも少ない場合アラーム及び電源のうちの１以上にシグナルを提供する工程と、を含む。
【００１３】
本発明のこれらの及び他の特徴は、当業者であれば以下の詳細な説明及び図面から認識し、理解するであろう。
【００１４】
（発明を実施するための最良の形態）
図２では、電気化学セルシステムの例示的な実施の形態が一般的に３０で示されている。以後、「システム３０」と呼ぶ。システム３０は燃料としてガスクロマトグラフィー及び様々な他の適用において水素を発生させるのに適している。以下で説明する発明にかかる改良は電解セルに関して述べているが、これらの改良は一般に電解セル及び燃料電池の両方に適用できることを理解すべきである。さらに、説明及び図面は水の電気分解による水素と酸素の発生に関するものであるが、この装置は他の反応材料からの他のガスの発生に適用することができる。
【００１５】
例示的なシステム３０は図１に示されるように、反応水からガスを発生させることができる水供給（ｗａｔｅｒ−ｆｅｄ）電解セルを含み、制御システムに動作的に結合されている。適した反応水は脱イオン蒸留水であり、水供給源３２から連続して供給される。システム３０により使用される反応水は水供給源３２に保存され、重力により、あるいはポンプ３８によるポンピングにより電解セルスタック４０に供給される。好ましくは透明な可塑剤を含まない管である供給ラインはその中に配置された導電率センサ３４を含み、水の電気電位をモニタし、これにより純度を決定しシステム３０において使用するのに妥当であることを確認する。
【００１６】
セルスタック４０は密閉構造（図示せず）内に封入された図１に関して以上で説明したセル１００と同様の複数のセルを含む。反応水はセルコンポーネントと流体連絡されたマニホルドまたは他の型のコンジット（図示せず）により受理される。電源４２はセルスタック４０内の各セルと電気連絡されて配置され、水の電離に対する駆動力が提供される。
【００１７】
酸素及び水は共通のストリームを介してセルスタック４０から出て行き、最終的には水供給源３２に戻る。このように水はリサイクルされ酸素は雰囲気に排出される。水素ストリームは水を含みセルスタック４０から出て行き、相分離タンクに送られる。相分離タンクは水素／水分離装置４４であり、以後「セパレータ４４」と呼ぶ。ここで気相と液相が分離される。この水素ストリームは好ましくは約２５０ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）の圧力を有するが、約１ｐｓｉから約６０００ｐｓｉまでの任意の値とすることができる。いくらかの水がセパレータ４４で水素ストリームから除去される。出て行く水素ガスは（セパレータ４４への水素ストリームより水の含量が少なく）さらに、乾燥ユニット４６で乾燥されるが、その乾燥ユニットは例えばディフューザ、圧力スウィング吸収装置または乾燥剤としてもよい。微量の水素を連行する水は低圧水素セパレータ４８を通して水素源３２に戻される。低圧水素セパレータ４８では減圧により水素が水ストリームから出て行き、セパレータから出て行く水よりも低い圧力で水も水素源３２にリサイクルされる。セパレータ４４はまた、圧力または圧力差が予め選択された限界を超えると急激に水素を水素排気口５２にパージするレリーズ５０を含む。このレリーズはリリーフバルブとしてもよい。
【００１８】
ディフューザ４６からの水素は水素貯蔵所５４に送られる。バルブ５６，５８はシステムラインの様々な点に備えられ、所定の条件下で水素を排気口５２または水素貯蔵所５４のいずれかに放出するように構成される。さらに、水素が水素貯蔵所５４からディフューザ４６及びセパレータ４４まで逆流しないように逆止め弁６０が備えられる。
【００１９】
出力センサ６４がシステム３０に組み込まれ、乾燥ユニット４６の下流点で水素ガスのパラメータが感知される。出力センサ６４は水素ライン内のガス圧をそのガス圧を示す電圧または電流レベルに変換する圧力変換器としてもよい。出力センサ６４はまたガスの定性または定量パラメータを感知しそのパラメータを示す電気シグナルを出力として提供するのに適した任意の他のセンサとしてもよい。そのような他のセンサとしては、流速センサ、質量流量センサ及び示差圧力センサが挙げられるがこれらに限定されるものではない。
【００２０】
出力センサ６４はコンピュータ６６とインタフェースする。コンピュータ６６はデータ及び命令を受信し、その命令を実行しデータを処理し、結果を提供することができる適した電子装置である。そのため、コンピュータ６６はマイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ミニコンピュータ、光学計算機、ボードコンピュータ、複雑命令セットコンピュータ、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）、リスクコンピュータ、アナログコンピュータ、デジタルコンピュータ、分子コンピュータ、量子コンピュータ、セルラーコンピュータ、超伝導コンピュータ、スーパーコンピュータ、固体コンピュータ、シングルボードコンピュータ、緩衝記憶計算機、コンピュータネットワーク、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、科学コンピュータ、科学計算機または前述のうちの幾つかの一体型機とすることができる。
【００２１】
コンピュータ６６はセンサ６４により提供されるアナログ電圧または電流レベルを感知された水素圧を示すデジタルシグナル、以後Ｐａｃｔと呼ぶ、に変換することができる。その代わりに、センサ６４はデジタルシグナルをコンピュータ６６に提供する様に構成されてもよく、あるいはセンサ６４とコンピュータ６６との間にアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器（図示せず）を結合させセンサ６４により提供されるアナログシグナルをコンピュータ６６により処理されるデジタルシグナルに変換してもよい。コンピュータ６６は、以後さらに詳細に説明するように、システム３０の出力を制御するために様々なプロセスに対する入力としてデジタルシグナルＰａｃｔを使用する。
【００２２】
コンピュータ６６はデータ伝送媒体６８によりシステム３０の１以上のコンポーネントと動作可能に結合されている。データ伝送媒体６８としては、撚線対配線、同軸ケーブル及び光ファイバケーブルが挙げられるがこれらに限定されるものではない。データ伝送媒体６８としてはまたラジオ及び赤外シグナル伝送システムが挙げられるが、これらに限定されるものではない。図２に示した実施の形態では、伝送媒体６８はコンピュータ６６を電源４２、ポンプ３８及びバルブ５６，５８に結合する。コンピュータ６６はこれらのコンポーネントにオペレーティングシグナルを提供し、これらのコンポーネントからデータ伝送媒体６８を介してデータを受信するように構成される。
【００２３】
一般に、コンピュータ６６は出力センサ６４からデータを受信し、出力センサ６４からのデータを予め決められた設定点と比較する目的で所定の命令が与えられ、電源４２に対し作用し電解セルスタック４０内の電極を横切る電圧を増加または減少させ、これにより電解セルスタック４０の出力を増加または減少させる。コンピュータ６６はバルブ５６，５８にオペレーティングシグナルを提供し、水素貯蔵所５４へのガスの自動遮断が実行され、および／またはガスの流れが排気口５２へ変えられる。コンピュータ６６はまた、例えばバルブ５６，５８の開閉を示すデータをバルブ５６，５８から受信する。さらに、コンピュータ６６は、例えばポンプ３８が動作しているか、及びその動作速度を示すデータをポンプ３８から受信する。出力センサ６４、バルブ５６，５８及びポンプ３８から受信されたデータはコンピュータ６６に結合されたモニタ７０上に表示されてもよい。モニタ７０はＬＥＤ（発光ダイオード）ディスプレイ、ＬＣＤ（液晶ダイオード）ディスプレイ、ＣＲＴ（陰極線管）ディスプレイ、などである。コンピュータ６６にデータ入力を提供するためにコンピュータ６６にキーパッド７２を結合させる。
【００２４】
システム３０内の１以上のコンポーネントに結合されるだけでなく、コンピュータ６６はまたローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）７４及びインターネットなどの外部コンピュータネットワークに結合されてもよい。ＬＡＮ７４は１以上の遠隔コンピュータ７６を相互接続し、それらのコンピュータはＴＣＰ／ＩＰ（伝送制御プロトコル／インターネットプロトコル）、ＲＳ−２３２、ＭｏｄＢｕｓなどの周知のコンピュータ通信プロトコルを用いてコンピュータ６６と通信するように構成される。追加のシステム３０もまたコンピュータ６６を用いてＬＡＮ７４に接続してもよく、これらのシステム３０の各々は遠隔コンピュータ７６及び他のシステム３０からデータを受信し、それらへデータを送信するように構成される。ＬＡＮ７４はサーバコンピュータ７８を介してインターネットに接続される。この接続によりコンピュータ６６はインターネットに接続された１以上の遠隔コンピュータ８０と通信することができる。
【００２５】
図３は、コンピュータ６６の概略図を示したものである。コンピュータ６６はランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）装置１５２と、不揮発性メモリ（ＮＶＭ）装置１５４と、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）装置１５６と、１以上の入力／出力（Ｉ／Ｏ）制御装置１５８と、ＬＡＮインタフェース装置１６０とにデータ通信バス１６２を介して結合されたプロセッサ１５０を含む。
【００２６】
Ｉ／Ｏ制御装置１５８は、バルブ５６，５８、キーパッド７２及びこれらの装置とバス１６２との間でデジタルデータを提供するためのモニタ７０に結合される。Ｉ／Ｏ制御装置１５８はまたアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器１６４にも結合され、この変換器は出力センサ６４およびポンプ３４からのアナログデータシグナルを受信する。１つのＡ／Ｄ変換器１６４は電源４２内の電力制御回路（図示せず）に結合される。プロセッサ１５０はＩ／Ｏ制御装置１５８及びＡ／Ｄ変換器１６４を介して電源４２内の電力制御回路に制御シグナル（例えば、パルス幅変調制御シグナル）を提供する。プロセッサ１５０により提供された制御シグナルに応じて、電源４２は電解セルスタック４０内の電極を横切る対応する電圧レベルを提供する。電源４２内の電力制御回路は例えば、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）系電力制御回路を含んでも良い。
【００２７】
ＬＡＮインタフェース装置１６０はＬＡＮ７４により支持されたデータ通信プロトコルでコンピュータ６６とＬＡＮ７４との間の通信を提供する。ＲＯＭ装置１５６はプロセッサ１５０に対する初期化パラメータを含むアプリケーションコード１６６、例えば主機能ファームウエア、及びブートコードを保存する。アプリケーションコード１６６はまた、図４−６を参照して以下でさらに詳細に説明するように、プロセッサ１５０に電気化学セルシステム出力制御方法を実行させるプログラム命令を含む。
【００２８】
ＮＶＭ装置１５４はＥＰＲＯＭ（消去可能なプログラム可能読み取り専用メモリ）チップ、ディスクドライブなどの任意の形態の不揮発性メモリである。アプリケーションコード１６６用の様々なオペレーショナルパラメータ１６８がＮＶＭ装置１５４に保存される。これらについては図４−６を参照してさらに詳細に説明する。様々なオペレーショナルパラメータ１６８は局所的に、キーパッド７２または遠隔コンピュータ７６（図２）を使用して、あるいは遠隔コンピュータ８０を使用するインターネットを介して遠隔操作により（図２）、ＮＶＭ装置１５４に入力することができる。アプリケーションコード１６６はＲＯＭ装置１５６ではなくＮＶＭ装置１５４に保存することができることは認識されるであろう。
【００２９】
図４、５および６はアプリケーションコード１６６内に含まれる電気化学セルシステム出力制御方法を示す流れ図である。これらの方法は、典型的にはソフトウエアの形態で、プロセッサ１５０により実行されるように書かれたコンピュータ命令において具体化される。ソフトウエアはアセンブリ言語、ＶＨＤＬ（Ｖｅｒｉｌｏｇハードウエア記述言語）、ＶＨＳＩＣ　ＨＤＬ（超高速ＩＣハードウエア記述言語）、Ｆｏｒｔｒａｎ（数式翻訳）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋、Ｊａｖａ（登録商標）ＡＬＧＯＬ（アルゴリズム言語）、ＢＡＳＩＣ（初心者汎用記号命令コード）、ビジュアルＢＡＳＩＣ、ＡｃｔｉｖｅＸ、ＨＴＭＬ（ハイパーテキストマークアップ言語）、及び前記少なくとも１つの任意の組合せまたは派生商品を含む任意の言語で符号化することができるが、これらに限定されるものではない。さらに、オペレータはスプレッドシートまたはデータベースなどの現存のソフトウエアアプリケーションを使用することができ、様々なセルをアルゴリズムで列挙した変数と相関させることができる。さらに、ソフトウエアは他のソフトウエアから独立してもよく、あるいは例えば一体化ソフトウエアの形態など、他のソフトウエアに依存してもよい。図３を参照して説明した実施の形態では、図４、５及び６の方法はアセンブリ言語で、好ましくはアリゾナ州チャンドラーのマイクロチップ（Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ、登録商標）により提供されるプラットフォームで書かれたコンピュータ命令としてＲＯＭ装置１５６内に保存される。
【００３０】
図２、３及び４を参照して、図４の電気化学セルシステム出力制御方法２０００について説明する。方法２００はブロック２０２から開始し、ブロック２０４に進む。ブロック２０４では、ディフューザ４６の下流の感知水素圧を示すデジタルシグナルＰａｃｔがサンプリングされる。その後方法２００はブロック２０６に進み、そこでオペレーショナルパラメータ「Ｐｓｅｔ」および「デルタ（Ｄｅｌｔａ）」がＮＶＭ装置１５４から検索される。オペレーショナルパラメータ「Ｐｓｅｔ」は所望の水素出力圧を示す。「Ｐｓｅｔ」に対する典型的な値は約０ポンド／平方インチ（ｐ．ｓ．ｉ）と２５００ｐ．ｓ．ｉとの間であり、好ましくは６５ｐ．ｓ．ｉと２５０ｐ．ｓ．ｉとの間である。オペレーショナルパラメータＤｅｌｔａはＰｓｅｔに対する逸脱限界を表す。Ｄｅｌｔａに対する典型的な値は約１ｐ．ｓ．ｉと５０ｐ．ｓ．ｉとの間、好ましくは約５ｐ．ｓ．ｉと２５ｐ．ｓ．ｉとの間である。ＰｓｅｔおよびＤｅｌｔａは一般に使用する水素の型または貯蔵所５４の貯蔵能力を含む因子に依存して変動するが、因子はこれらに限定されない。
【００３１】
方法２００はブロック２０６からブロック２０８に進む。ブロック２０８では、ブロック２０４からの値Ｐａｃｔ及びブロック２０６からの値ＰｓｅｔおよびＤｅｌｔａがブロック２０８で以下のクエリーに導入される。
│Ｐａｃｔ−Ｐｓｅｔ│＞Ｄｅｌｔａか？ブロック２０８のクエリーに対する答えが否定的であれば、実際の圧力Ｐａｃｔは設定点圧力Ｐｓｅｔに比べ許容可能な変動Ｄｅｌｔａ内にあり、方法２００はブロック２０４に戻り、そこでシグナルＰａｃｔが再びサンプリングされる。このループは一般に方法２００が外見上終了あるいは休止するまで、またはブロック２０８のクエリーに対する答えが肯定的になるまで続く。
【００３２】
ブロック２０８のクエリーに対する答えが肯定的であれば、第１にあるいは１以上の否定的な答えの後で、方法２００はブロック２１０まで進み、そこで以下のクエリーが提示される。
Ｐａｃｔ＞Ｐｓｅｔか？
一般に、このクエリーは電源４２に提供するための制御シグナルの型を決定する。とりわけ、ブロック２１０のクエリーは電源４２からセルスタック４０に提供される電流を増加させるかあるいは減少させるかを決定する。クエリーの答えが否定的であれば、水素圧が不十分であることが示され、方法２００はブロック２１２まで進みそこでプロセッサ１５０は電源４２に増加シグナルを提供するよう命令される。増加シグナルの受信に応じて、電源４２はセルスタック４０への電流を増加させる。セルスタック４０への電流が増加すると、反応速度が増大し、これにより水素出力ライン内の圧力が増大する。上昇シグナルには、例えば電源４２へのシグナル出力のパルス幅を調節するなどのゲート制御シグナルが含まれても良い。ブロック２１０でのクエリーの答えが肯定的であれば、水素圧が過剰であることが示され、方法２００はブロック２１４まで進みそこでプロセッサ１５０は電源４２に減少シグナルを提供するように命令される。減少シグナルの受信に応じて、電源４２はセルスタック４０への電流を減少させる。セルスタック４０への電流が減少すると反応速度が減少し、これにより水素ライン内の圧力が減少する。減少シグナルには、例えば電源４２へのシグナル出力のパルス幅を調節するなどゲート制御シグナルが含まれてもよい。方法２００はブロック２１２または２１４のいずれかの後のブロック２１６で終了する。方法はシステム３０の動作中プロセッサ１５０により繰り返し実行されることは認識されるであろう。
【００３３】
図２、３及び５を参照して、図５の他の電気化学セルシステム出力制御方法２５０について説明する。ブロック２５２で開始した後、方法２５０はブロック２５４に進み、そこでデフューザ４６の下流の感知水素圧を示すデジタルシグナルＰａｃｔがサンプリングされる。その後方法２５０はブロック２５６まで進み、そこでオペレーショナルパラメータ「Ｐｕｐ」及び「Ｐｌｏｗ」がＮＶＭ装置１５４から検索される。オペレーショナルパラメータＰｕｐは水素出力圧に対する上限設定点を示し、オペレーショナルパラメータＰｌｏｗは水素出力圧力に対する下限設定点を示す。ＰｕｐおよびＰｌｏｗは一般に使用する水素の型あるいは水素貯蔵所５４の容量を含む因子に依存して変動するが、因子はこれらに限られるものではない。
【００３４】
ブロック２５６から方法２５０はブロック２５８に進み、そこでブロック２５４からの値Ｐａｃｔ及びブロック２５６からの値Ｐｕｐが以下のクエリーに導入される。
Ｐａｃｔ＞Ｐｕｐか？
ブロック２５８のクエリーに対する答えが肯定的であれば、水素出力圧が過剰であることが示され、方法２５０はブロック２６０まで進み、そこでプロセッサ１５０は電源４２に減少シグナルを提供するように命令される。減少シグナルの受信に応じて、電源４２はセルスタック４０への電流を減少させる。ブロック２６０の後、方法２５０はブロック２６２で終了する。
【００３５】
ブロック２５８のクエリーに対する答えが否定的であれば、実際の圧力Ｐａｃｔが上限設定点水素出力圧Ｐｕｐ以下であり、方法２５０はブロック２６４まで進み、そこでＰａｃｔ及びＰｌｏｗは以下のクエリーに導入される。
Ｐａｃｔ＜Ｐｌｏｗか？
ブロック２６４のクエリーに対する答えが肯定的であれば、水素出力圧が不十分であることが示され、方法２５０はブロック２６６まで進み、そこでプロセッサ１５０は電源４２に増加シグナルを提供するように命令される。増加シグナルの受信に応じて、電源４２はセルスタック４０への電流を増加させる。ブロック２６６の後、方法２５０はブロック２６２で終了する。方法２５０はシステム３０の動作中プロセッサ１５０により繰り返し実行されることは認識されるであろう。
【００３６】
ブロック２６４のクエリーに対する答えが否定的であれば、実際の圧力Ｐａｃｔは下限設定点水素出力圧Ｐｌｏｗと上限設定点水素出力圧Ｐｕｐとの間であり、方法２５０はブロック２５４にループバックし、そこでデジタルシグナルＰａｃｔが再びサンプリングされる。このループは一般に、方法２５０が外見上終了または休止するまで、あるいはブロック２５８のクエリーまたはブロック２６４のクエリーへのいずれかの答えが肯定的となるまで続く。
【００３７】
図２，３及び６を参照して、図６の電気化学セルシステム出力制御方法３００について説明する。方法３００により、装置を損傷する可能性のある過剰な圧力が増大した場合、あるいはシステム３０の生成率が例えばシステム３０のリークにより所定の量よりも低くなった場合、セル３８への電流が中断される。方法３００は前述の方法２００または２５０と共に実装することができる。
【００３８】
方法３００はブロック３０２から開始しブロック３０４に進み、時間ステップカウンタ「ｎ」が初期値（例えば１）に設定される。方法３００はブロック３０６に進み、ディフューザ４６の下流の感知水素圧を示すデジタルシグナルＰａｃｔが開始時間「ｔ＝０」でサンプリングされる。その後、方法３００はブロック３０８に進み、オペレーショナルパラメータ「Ｐｍａｘ」がＮＶＭ装置１５４から検索される。オペレーショナルパラメータＰｍａｘは例えば装置に損傷を与えることがある過剰な圧力の増大を防止する安全設定点を表す。例えば、Ｐｍａｘは正常な動作圧（例えば、Ｐｓｅｔ）を超える約１０ｐ．ｓ．ｉと約５０ｐ．ｓ．ｉとの間に設定することができるが、実際の値はシステムの要求に従い変動させてもよい。
【００３９】
ブロック３０８から方法３００はブロック３１０に進み、そこでデジタルシグナルＰａｃｔが時間「ｔ＝ｎ」でサンプリングされる。その後方法３００はブロック３１２に進みそこでオペレーショナルパラメータ「Ｐｄｉｆｆ」がＮＶＭ装置１５４から検索される。オペレーショナルパラメータＰｄｉｆｆは各時間ステップ「ｎ」（例えば、ｔ＝０とｔ＝１との間）の期間にわたる水素出力圧の予測増加を示す。Ｐｄｉｆｆは電源４２によりセルスタック４０に供給された所定の電流に対するセルスタック４０の予測生成率のいくらかのパーセンテージ（例えば９０％）を基に選択される。電源４２の出力が可変であれば、方法２００及び方法２５０のようにアプリケーションコード１６６は電源４２によるセルスタック４０への電流出力に基づきＰｄｉｆｆを周期的に決定するようにプロセッサ１５０に命令する。プロセッサ１５０は、１以上のルックテーブルまたはＰｄｉｆｆを電源４２による電流出力に相関させる式にアクセスすることによりこれを遂行する。
【００４０】
ブロック３１２から方法３００はブロック３１４に進み、そこでパラメータＰｄｉｆｆと、現在の時間ステップ（ｔ＝ｎ）及び前の時間ステップ（ｔ＝ｎ−１）に対する値Ｐａｃｔが以下のクエリーに導入される。
Ｐａｃｔ ａｔ ｔ＝ｎ−Ｐａｃｔ ａｔ ｔ＝ｎ―１＜Ｐｄｉｆｆか？
ブロック３１４のクエリーに対する答えが肯定的であれば、システム３０の生成率が幾らかの所定の値より小さいことが示され、方法３００はブロック３１６に進みプロセッサ１５０は電源４２に中断シグナルを提供するように命令される。前記中断シグナルの受信に応じて、電源４２はセルスタック４０への電流を中断する。中断シグナルは例えば電源４２へのシグナル出力のパルス幅を調節するなどのゲート制御シグナルを含んでも良い。ブロック３１６の後、方法３００はブロック３１８で終了する。その代わりに、ブロック３１４のクエリーへの答えが肯定的であれば、方法３００はブロック３２０まで進みそこでアラームが作動し（例えば、音がする）動作担当員に警告される。
【００４１】
ブロック３１４のクエリーへの答えが否定的であれば、システム３０の生成率が十分であることが示され、方法３００はブロック３２２まで進みそこでパラメータＰｍａｘと、現在の時間ステップ（ｔ＝ｎ）に対する値Ｐａｃｔが以下のクエリーに導入される。
Ｐａｃｔ ａｔ ｔ＝ｎ＞Ｐｍａｘか？
ブロック３２２のクエリーへの答えが肯定的であれば、実際の圧力Ｐａｃｔが規定の最大圧Ｐｍａｘを超えたことが示され、プロセス３００はブロック３１６に進みそこでプロセッサ１５０は電源４２に中断シグナルを提供するように命令される。ブロック３１６の後、方法３００はブロック３１８で終了する。
【００４２】
ブロック３２２のクエリーに対する答えが否定的であれば、プロセス３００はブロック３２４に進み、そこで時間ステップがインクリメントされ、その後ブロック３１０に進みデジタルシグナルＰａｃｔが新しい時間ステップに対しサンプリングされる。このループは一般に、方法３００が外見上終了または休止するまで、あるいはブロック３１４またはブロック３２２のクエリーの答えが肯定的となるまで続く。
【００４３】
さらに他の実施の形態では、電源４２および／またはセルスタック４０からのフィードバックをコンピュータ６６に提供することができる。コンピュータ６６は電源４２により提供された電流、電源４２を横切る電圧、及び／またはセル３８の特別な部分を横切る電圧、及び／またはセルスタック４０の特別な部分を横切る電圧に関連する情報を使用し、様々なオペレーショナルパラメータ１６８をアップデートする。さらに、この情報の全てまたはいくらかをモニタ７０上で動作担当員に提供することができる。さらに、この情報の全てまたはいくらかをＮＶＭ装置１６８に保存し、後にとりわけオペレーショナルパラメータ１６８をアップデートし、システム３０の健康状態をモニタし、あるいは様々な電源４２の出力レベルに対するＰｄｉｆｆを予測するために検索することができる。
【００４４】
この中で説明した電気化学セルシステム出力制御方法及び装置により、システムのオペレーショナルパラメータを遠隔操作によりまたは局所的に設定することができる。オペレーショナルパラメータを遠隔操作により設定することができるので、１人のオペレータが任意の数の電気化学制御システムを実質上任意の位置からモニタし制御することができる。オペレーショナルパラメータの遠隔設定により、オペレーショナルパラメータの設定を局所的に行う必要がある従来技術による電気化学セルシステム出力制御装置では達成することができなかった動作の利便性が得られる。さらに、本発明では１人のオペレータが異なる場所に配置された任意の数のシステムをモニタし動作させることができるので従来技術に比べ労力と経費を節約することができる。従来のシステムでは、現地のオペレータが電気化学セルをモニタし制御する必要がある。
【００４５】
この中で説明した電気化学セルシステム出力制御方法及び装置では、システムフィードバックに基づきオペレーショナルパラメータを自動的にアップデートすることができる。例えば、生成率をモニタするために使用されるオペレーショナルパラメータＰｄｉｆｆはセルスタックに供給される電力に対応するようにアップデートすることができる。従来技術の電気化学セルシステムでは、そのようなフィードバックは手作業により実行されており、この中で説明した生成率をモニタするための方法３００などの所定の方法を実装することは不可能である。
【００４６】
電気化学セルシステム出力制御方法はコンピュータ実装プロセス及びそれらのプロセスを実行するための装置の形態で具体化することができる。電気化学セルシステム出力方法はまた、命令を含むコンピュータプログラムコードの形態で実現することができ、フロッピー（登録商標）ディスケット、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードドライブ、あるいは任意の他のコンピュータ読み出し可能記憶媒体などの有形媒体において実現することができる。これらの場合、コンピュータプログラムコードがコンピュータにロードされ、コンピュータにより実行されると、コンピュータは本発明を実行するための装置となる。電気化学セルシステム出力制御方法はまたコンピュータプログラムコードの形態で実現することができる。この場合、例えば、記憶媒体に保存され、コンピュータにロードされおよび／またはコンピュータにより実行され、あるいは電気配線またはケーブル配線、光ファイバ、電磁放射などの幾つかの伝送媒体により伝送される。これらの場合、コンピュータプログラムコードがコンピュータにロードされ、コンピュータにより実行されると、コンピュータは本発明を実行するための装置となる。汎用マイクロプロセッサ上に実装されると、コンピュータプログラムコードセグメントによりマイクロプロセッサが環境設定され特定の論理回路が形成される。
【００４７】
好ましい実施の形態について図示し説明してきたが、本発明の精神及び範囲内であれば様々な改良および変更が可能であろう。従って、この発明についての説明は例示にすぎず限定するものではないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
図面について説明する。図面は例示であり限定するものではない。いくつかの図面において同様の要素には同様の符号を付する。
【図１】電気化学反応を示す従来の電気化学セルの概略図である。
【図２】コンピュータを含む電気化学セルシステムの概略図である。
【図３】図２のコンピュータの概略図である。
【図４】図３のコンピュータにより採用された電気化学セルシステム出力制御方法の流れ図である。
【図５】図４の電気化学セルシステム出力制御方法の他の実施の形態の流れ図である。
【図６】図３のコンピュータにより採用された電気化学セルシステム出力制御方法の流れ図である。
【図２】
2004505415.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
2004505415.tif 000006
【図６】
2004505415.tif 000007
【国際公開パンフレット】
2004505415.tif 000008
2004505415.tif 000009
2004505415.tif 000010
2004505415.tif 000011
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2004505415.tif 000039
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004505415.tif 000040
2004505415.tif 000041
【国際調査報告】
2004505415.tif 000042
2004505415.tif 000043
2004505415.tif 000044