(57)【要約】バイポーラ接合トランジスタは、それぞれ、燃料電池スタック内の燃料電池の対間に接続されて、各燃料電池対にかかる電圧を、閾値電圧より下に電圧が低下していないかモニタリングする。各々のトランジスタに接続された各オプトアイソレータは、各燃料電池の対のステータスに対応するデジタル信号を生成する。「ＡＮＤ」回路は、燃料電池の１つ以上の対の状態に対応する１つのデジタル信号を生成する。燃料電池システムの様々な動作特性のモニタリングは、動作パラメータが燃料電池システム動作の効率を改良するために修正されることを可能にし、さらに許容閾値より上にある場合に燃料電池システム動作を機能停止することさえも可能にする。その結果、特に様々な構成の燃料電池にかかる電圧のモニタリングに関する燃料電池コントロールシステムの改良およびそのような燃料電池システムコントロール方法が必要である。【選択図】図９
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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、
少なくとも２つの燃料電池構造を備える燃料電池スタックであって、各燃料電池構造は一対の燃料電池を備える、燃料電池スタックと、
各燃料電池構造について、スイッチング端子、第１の端子および第２の端子を備え、該燃料電池構造にかかる電圧に応答するように接続される各トラジンスタと、
各燃料電池構造について、第１の端子および第２の端子を含む出力ならびにスイッチング端子を含む入力を有する燃料電池対オプトアイソレータであって、該第１の端子は、グランドに接続され、該第２の端子は、グランドに対してポジティブであるポジティブ基準電圧に接続され、該スイッチング端子は、該トランジスタの該第２の端子と各燃料電池構造の最低電圧より小さい電圧を有するネガティブ基準電圧との間に接続された、燃料電池対オプトアイソレータと
を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
各前記燃料電池構造について、各該燃料電池構造の各燃料電池対オプトアイソレータの出力のＡＮＤ演算を行う燃料電池構造ＡＮＤ回路をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
各燃料電池構造について、第１の端子および第２の端子を含む出力ならびにスイッチング端子を含む入力を有する各燃料電池構造オプトアイソレータをさらに備え、各燃料電池構造について、該燃料電池対オプトアイソレータの出力は、互いに直列に接続され、各燃料電池構造オプトアイソレータの該スイッチング端子を通るネガティブ基準電圧に接続され、各燃料電池構造オプトアイソレータの出力は互いに直列に接続される、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
各前記燃料電池構造について、該各燃料電池構造の各燃料電池対オプトアイソレータの出力のＡＮＤ演算を行う燃料電池構造ＡＮＤ回路と、
各燃料電池構造のＡＮＤ回路の各出力のＡＮＤ演算を行う燃料電池スタックＡＮＤ回路とをさらに備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
各燃料電池構造について、第１の端子および第２の端子を含む出力ならびにスイッチング端子を含む入力を有し、各燃料電池構造について、各燃料電池対オプトアイソレータの出力は、互いに直列に接続され、各該燃料電池構造オプトアイソレータの該スイッチング端子を通るネガティブ基準電圧に接続され、各燃料電池構造オプトアイソレータの出力は、互いに直列に接続された、燃料電池構造オプトアイソレータと、
第１の端子および第２の端子を含む出力ならびにスイッチング端子を含む入力を有する燃料電池スタックオプトアイソレータであって、該燃料電池構造オプトアイソレータの最終オプトアイソレータの第２の端子は、該燃料電池スタックオプトアイソレータのスイッチング端子を通るネガティブ基準電圧に接続される、燃料電池スタックオプトアイソレータとをさらに備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記トランジスタが、ｐｎｐバイポーラ接合トランジスタであり、前記第１の端子はエミッタを形成する、前記の第２の端子はコレクタを形成し、前記スイッチング端子は該ｐｎｐトランジスタのベースを形成する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記トランジスタは、前記２つの燃料電池にかかる電圧に応答するように一対の燃料電池間に接続された、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池の一方に前記トランジスタの前記第１の端子を接続するように該トランジスタの該第１の端子に接続される第１のリードと、該燃料電池の他方に該スイッチング端子を接続するように該トランジスタの該スイッチング端子に接続される第２のリードとを含むコネクターをさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池構造が、直列に互いに電気的に接続された一対の固体ポリマー燃料電池を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池構造は、直列に他方と電気的に接続された複数の燃料電池を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池構造と前記トランジスタの前記スイッチング端子との間に接続される第１のベース抵抗値と、
該燃料電池構造と該トランジスタの該スイッチング端子との間に接続される第２のベース抵抗値とをさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
複数の前記燃料電池対オプトアイソレータの部分集合が、各部分集合に単一のデジタル信号を提供するために直列に接続され、
トランジスタの該セットに単一のデジタル信号を提供するために該燃料電池対オプトアイソレータの部分集合からの該デジタル信号と接続する複数のＡＮＤ回路をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
燃料電池構造を形成する直列に電気的に接続される一対の燃料電池間のトランジスタの第１の端子とスイッチング端子とを接続するステップと、
該燃料電池構造にかかる電圧が、閾値電圧より大きい場合に第１の指示を生成するステップと、
該燃料電池構造にかかる電圧が、該閾値電圧以下の場合に該第１の指示と異なる第２の指示を生成するステップを含む、燃料電池構造において燃料電池をモニタリングする方法。
【請求項１４】
オプトアイソレータに前記トランジスタの第２の端子を接続するステップと、
該トランジスタの前記第１の端子と該第２の端子との間を電流が通過する場合に、該オプトアイソレータをアクティブ化し、該トランジスタの該第１の端子と該第２との端子の間を電流が通過しない場合に、該オプトアイソレータをアクティブ化を解除するステップとをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
燃料電池構造を形成する一対の燃料電池間のトランジスタの第１の端子とスイッチング端子とを接続するステップは、
該燃料電池構造の燃料電池の一方のカソードに該第１の端子を接続し、該燃料電池構造他方の燃料電池のアノードに該スイッチング端子を接続するステップとを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
燃料電池構造を形成する一対の燃料電池間のトランジスタの第１の端子とスイッチング端子とを接続するステップは、
該燃料電池構造の燃料電池の一方のカソードに該第１の端子を接続し、第１の抵抗器を通る該燃料電池構造の他方の燃料電池のアノードおよび第２の抵抗器を通る該燃料電池構造のカソードに該スイッチング端子を接続するステップとを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
燃料電池構造を形成する一対の燃料電池間のトランジスタの第１の端子とスイッチング端子とを接続するステップは、
該燃料電池構造の該第１の燃料電池のカソードに第１の端子を接続し、第１の抵抗器を通る該燃料電池構造の第２の燃料電池のアノードおよび第２の抵抗器を通る第１の燃料電池のカソードに該スイッチング端子を接続するステップ、
０．８ボルトから０．８５ボルトの範囲の電圧に閾値電圧を設定するための該第１の抵抗器の第１の抵抗値ならびに該第２の抵抗器の抵抗値を選択するステップとを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記燃料電池構造間の電圧が閾値電圧より大きい場合に第１の指示を生成するステップは、ＯＮおよびＯＦＦの指示の一方に対応する第１の電圧レベルを生成するステップを含み、該燃料電池構造の電圧が該閾値電圧以下になる場合に該第１の指示と異なる第２の指示を生成するステップは、該ＯＮおよびＯＦＦの指示の他方に対応する第２の電圧レベルを生成するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特に、燃料電池のコントロールシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学的燃料電池は、燃料と酸化剤とを電気に変換する。固体ポリマー電気化学的燃料電池は、概して、カーボンファイバー紙またはカーボンクロスなどの多孔質の導電性シート材料の層を典型的に含む２つの電極の間に配置されたイオン交換膜または固体ポリマー電解質を含む膜電極アセンブリ（「ＭＥＡ」）を利用する。ＭＥＡは、触媒の層を、典型的には、細かく粉砕された白金の形で、膜／電極界面のそれぞれにおいて含み、所望の電気化学的反応を起こさせる。動作中、電極は電気的に接続されており、外部回路を介して電極間で電子を伝導させる回路を提供する。典型的には、複数のＭＥＡが電気的に直列に接続されて、所望の電力出力を有する燃料電池スタックを形成する。
【０００３】
典型的な燃料電池においてＭＥＡは、２つの導電性流体流域プレートまたはセパレータプレートの間に配置される。流体流域プレートは、流体流域プレートの少なくとも１つの主要平面に形成される少なくとも１つの流管を有する。流管は、燃料と酸化剤とを各々の電極、すなわち燃料側のアノード電極と酸化剤側のカソード電極に誘導する。流体流域プレートは、集電体として機能し、電極の支持を提供し、燃料および酸化剤のそれぞれのアノード表面およびカソード表面へのアクセスチャンネルを提供し、電池の動作の間に生成された水のような反応生成物を除去するチャンネルを提供する。
【０００４】
これらのゼロエミッション特性またはローエミッション特性のため、および再生燃料を使用して動作する性能のため、一次電源および／または予備電源としての燃料電池の使用がますます普及する可能性が高い。例えば、燃料電池スタックは、家庭、オフィス、または商業環境におけるコンピューター、医療または冷却の装置の無停電電源として役立ち得る。他の使用ももちろん可能である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
燃料電池システムの様々な動作特性のモニタリングは、動作パラメータが燃料電池システム動作の効率を改良するために修正されることを可能にし、さらに許容閾値より上にある場合に燃料電池システム動作を機能停止することさえも可能にする。例えば、対の燃料電池のような燃料電池グループにかかる電圧は、訂正動作、または機能停止さえも必要とする反応物の適量を受けることの失敗のようなシステムの問題を指示し得る。その結果、特に様々な構成の燃料電池にかかる電圧のモニタリングに関する燃料電池コントロールシステムの改良およびそのような燃料電池システムコントロール方法が必要である。
【０００６】
ある局面においては、燃料電池システムは、少なくとも２つの燃料電池構造を有する燃料電池スタックを含み、各燃料電池構造は、一対の燃料電池有する。各ｐｎｐバイポーラ接続トランジスタは、各燃料電池構造に提供され、燃料電池構造の一対の電池にかかる電圧に応答するために接続される。ｐｎｐバイポーラ接続トランジスタは、ベース、エミッタおよびコレクターを備える。オプトアイソレータもまた各燃料電池構造に提供され、各オプトアイソレータは、第１の端子および第２の端子を含む出力、ならびにスイッチング端子を含む入力を有する。第１の端子はグランドに接続され、第２の端子は、グランドに関連にしてポジティブであるポジティブ基準電圧と接続される。スイッチング端子は、トランジスタのコレクターと各燃料電池構造の最低電圧より少ない電圧を有するネガティブ基準電圧との間に接続される。燃料電池システムは、各燃料電池構造の各オプトアイソレータの出力のＡＮＤ演算を行うための燃料電池構造ＡＮＤ回路を含む。
【０００７】
他の局面においては、燃料電池システムは、１つ以上の燃料電池を含む少なくとも１つの燃料電池構造、ベース、エミッタおよびコレクターを有する少なくとも１つのｐｎｐバイポーラトランジスタ、燃料電池構造にかかる電圧に応答するために接続されたトランジスタ、ならびに警報回路はトランジスタのコレクターと接続されたアラーム回路を含む。
【０００８】
さらなる局面において、燃料電池をモニタリングするためのモニタリングシステムは第１の端子、第２の端子およびスイッチング端子を有するトランジスタを含み、トランジスタの第１の端子およびスイッチング端子は、少なくとも２つの燃料電池にかかる電圧に応答するために接続可能である。モニタリングシステムもまた第１の端子、第２の端子およびスイッチング端子を有するオプトアイソレータを含む。オプトアイソレータの第１の端子は、グランド基準電圧と接続され、スイッチング端子は、燃料電池にかかる電圧に応答するトランジスタによってコントロールするために、トランジスタの第２の端子とグランド基準電圧より低い第１の基準電圧との間に接続される。オプトアイソレータの第２の端子は、燃料電池の動作状態に対応する第２の端子でデジタル信号を生成するためにグランド基準電圧以上の第２の基準電圧と接続される。
【０００９】
さらなる局面において、燃料電池をモニタリングするためのモニタリングシステムは、デジタル化スイッチのセットであって、各デジタル化スイッチは、グランドに接続された第１の端子およびグランドに対するポジティブ基準電圧と接続される第２の端子、ならびにグランドに対するネガティブ基準電圧と接続されるスイッチング端子を有し、各デジタル化スイッチは、各デジタル化スイッチの第１の端子とスイッチング端子との間の第１の規定電位差に応答する各デジタル化スイッチのセットと、トリガースイッチのセットであって、各トリガースイッチは、複数の燃料電池構造のそれぞれにかかる電圧に応答するために接続可能な第１の端子およびスイッチング端子、ならびにそれぞれの各デジタル化スイッチのスイッチング端子と接続された第２の端子を有し、各トリガースイッチは、トリガースイッチの第１の端子とスイッチング端子との間の第２の規定電位差に応答するトリガースイッチのセットとを含む。
【００１０】
さらなる局面において、燃料電池構造の燃料電池をモニタリングする方法は、燃料電池構造を形成するために電気的に直列に接続された一対の燃料電池にかかる電圧をモニタリングするステップ、燃料電池構造にかかる電圧が閾値電圧より大きくなる場合、第１の指示を生成するステップ、および燃料電池構造にかかる電圧が閾値電圧以下の場合、第１の指示と異なる第２の指示を生成するステップを包含する。
【００１１】
まださらなる局面において、燃料電池スタックの燃料電池をモニタリングする方法は、燃料電池スタックの少なくとも２つの燃料電池の第１のセットにかかる電圧をモニタリングするステップ、同時に燃料電池スタックの少なくとも２つの燃料電池の第２のセットにかかる電圧をモニタリングするステップ、燃料電池スタックの少なくとも２つの燃料電池の第１と第２のセットとの各々にかかる電圧が閾値電圧より大きくなる場合、第１の指示を生成するステップ、ならびに燃料電池スタックの燃料電池の第１と第２のセットとの各々にかかる電圧が閾値電圧以下になる場合、第２の指示を生成するステップを包含する。この局面において第１および第２のトランジスタは、好ましくは、それぞれ燃料電池の第１および第２のセットにかかる電圧に応答するために接続される。第１および第２のオプトアイソレータに対応することは、トランジスタの組み合わせに利用され得る。
【００１２】
まださらなる局面において燃料電池スタックにおける燃料電池をモニタリングする方法は、同時に燃料電池スタックの少なくとも２つの燃料電池のセットにかかる各電圧をモニタリングするステップであって、各燃料電池のセットは、少なくとも２つの燃料電池を備えるステップと、少なくとも２つの燃料電池の任意のセットにかかる電圧が閾値電圧以下になる場合、第１の指示を生成するステップを包含する。
【００１３】
上で記載されている実施形態に列挙されている燃料電池は、好ましくは、アノード、カソード、およびこれらの間に配置されたイオン交換膜電解質を含む個体ポリマー燃料電池、ならびにコンポーネントを含む。
【００１４】
図において、同一の参照番号は、同じ要素や動作を示す。図中の要素のサイズや相対位置は、必ずしも等倍率で縮尺されていない。例えば、様々な要素および角度の形態は、等倍率で縮尺されていない。そしてこれら要素のいくつかは、任意に拡大され、読み易い図に改善するために配置されている。さらに、図示された要素の特定形態は、特定の要素の実際の形態に関するいくつかの情報を伝えることを意図しておらず、単に図において認識し易いように選定されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（発明の詳細な説明）
以下の説明において、特定の具体的な詳細は、本発明の様々な実施形態の完全な理解を提供するために開示されている。しかしながら、当業者は、本発明をこれらの詳細なしで実施し得ることを理解する。他の例において、本発明の実施形態を不必要に分かりにくくすることを避けるため、燃料電池、マイクロコントローラ、センサ、およびアクチュエータと関連する周知の構造は、詳細な説明がされていない。
【００１６】
文脈によってそうではない場合もあるが、明細書および特許請求の範囲を通じて、用語「含む」ならびにその活用形、「含み」および「含んでいる」などは、限定されていない包括的な意味、すなわち、「含むが、これに限定されない」という意味であると解釈されるべきである。
【００１７】
（燃料電池システムの概要）
図１は燃料電池システム１０の一部、すなわち燃料電池スタック１２と電子燃料電池モニタリングおよびコントロールシステム１４とを示している。燃料電池スタック１２は１組のエンドプレート１８ａ、１８ｂの間に配置された複数の燃料電池アセンブリ１６を含む。燃料電池アセンブリ１６の構造をよく示すため、燃料電池アセンブリ１６の１つは、燃料電池スタック１２より部分的に取り除かれている。タイロッド（図示せず）は、エンドプレート１８ａ、１８ｂの間に伸びており、締め込みナット１７と協働して様々なコンポーネントに圧力をかけることによってエンドプレート１８ａ、１８ｂに共にバイアスをかけてその間の良好な接触を確保する。
【００１８】
各燃料電池アセンブリ１６は、イオン交換膜２６によって分離されたアノード２２およびカソード２４の２つの電極を含む膜電極アセンブリ２０を含む。電極２２、２４は、カーボンファイバー紙またはクロスのような反応物に対して浸透性のある多孔質の導電性シート材から形成され得る。各電極２２、２４は、各電極を電気化学的にアクティブにしておくためにイオン交換膜２６に隣接する表面が白金の薄い層のような触媒２７でコーティングされている。
【００１９】
燃料電池アセンブリ１６はまた、膜電極アセンブリ２０を挟んでいる一対のセパレータまたは流域プレート２８を含む。例示的な実施形態において、流域プレート２８のそれぞれは、燃料をアノード２２に、かつ酸化剤をカソード２４に運ぶための電極２２、２４のうちの関連する方に隣接する流域プレート２８の平面に形成された１つ以上の反応物チャンネル３０を含む（図１において流域プレート２８の１つにおける反応物チャンネル３０のみ見える）。酸化剤を運ぶ反応物チャンネル３０はまた、カソード２４から生成物の水および排気を逃がす。以下により詳細に説明するように、燃料スタック１２は、デッドエンド燃料モードで動作するよう設計されている。したがって、運転中に燃料スタック１２に提供される水素燃料の実質的に全てが消費され、いくらかの水素でもシステム１０の通常運転中にスタック１２から逃がされることはほとんどない。しかしながら、本発明の実施形態はデッドエンドではない希釈燃料で動作する燃料電池システムをにも適用され得る。
【００２０】
例示的な実施形態において、各流域プレート２８は、好ましくは、反応物チャンネル３０がある平面と反対側の各流域プレート２８の平面に形成された複数の冷却チャンネル３２を含む。スタックを組み立てるとき、燃料電池アセンブリ１６に隣接する冷却チャンネル３２が連係して、各膜電極アセンブリ２０の間に閉冷却チャンネル３２が、形成される。冷却チャンネル３２は、燃料スタック１２の中に冷気を通す。冷却チャンネルは、好ましくは各々がまっすぐかつ互いに並行であり、プレート２８の両方のエッジに冷却チャンネル注入口と排出口を配置するように各プレート２８を横断している。
【００２１】
例示的な実施形態は、各燃料電池アセンブリ１６に２つの流域プレート２８を含むが、他の実施形態は、隣接する膜電極アセンブリ２０の間に単一のバイポーラ流域プレート（図示せず）を含み得る。そのような実施形態において、バイポーラプレートの一方のチャンネルが隣接する膜電極アセンブリ２０のうち一方のアノードに燃料を運び、プレートの他方のチャンネルは、隣接する膜電極アセンブリ２０のうち他方のカソードに酸化剤を運ぶ。そのような実施形態において、冷却剤（例えば、冷気のような液体やガス）を運ぶためのチャンネルを有するさらなる流体流域プレート２８は、スタック１２の十分な冷却を提供するため必要に応じて燃料電池スタック１２を通じて間隔が空けられ得る。
【００２２】
エンドプレート１８ａは、燃料電池スタック１２に供給燃料流を導くための燃料注入ポート（図示せず）を含む。エンドプレート１８ｂは、主として水と無反応性コンポーネントおよび不純物とを含む燃料スタック１２から排燃料流を排出する燃料流排出ポート３５を含む。不純物は、供給燃料流に導入されているか、または、スタック１２において燃料流に入る。燃料流排出ポート３５は、通常デッドエンド動作においてバルブによって閉じている。燃料スタック１２は、動作中燃料スタック１２に供給された水素燃料を実質的に全て消費するように設計されているが、燃料電池スタック１２のパージの間に、燃料流排出ポート３５で一時的にバルブが開かれることによって、わずかな無反応水素もまた燃料流排出ポート３５を通って排出され得る。各燃料電池アセンブリ１６は、隣接するアセンブリ１６の対応する開口部と連係して内部の燃料供給およびスタック１２の長さを伸ばす排気用の多岐管（図示せず）を形成するように内部に形成された開口部を有する。燃料流注入ポートは、それぞれの燃料供給および排出用多岐管と流動的に通じているそれぞれの反応物チャンネル３０を介して流体排出ポート３５と流動的に通じている。
【００２３】
エンドプレート１８ｂは、燃料電池スタック１２に供給空気（酸化剤流）を導くための酸化剤流注入ポート３７および燃料電池スタック１２から排気を放出をするための酸化剤流排出ポート３９を含む。各燃料電池アセンブリ１６は、隣接する燃料電池アセンブリ１６の対応する開口部と連係して酸化剤供給およびスタック１２の長さを伸ばす排気用の多岐管を形成するように内部に形成された開口部３１、３４を有する。酸化剤注入ポート３７は、それぞれの酸化剤供給および排出用多岐管と流動的に通じているそれぞれの反応物チャンネル３０を介して酸化剤排出ポート３９と流動的に通じている。
【００２４】
１つの実施形態において、燃料電池スタック１２は、４７枚の燃料電池アセンブリ１６を含む（図１および２は、図を明瞭にするために複数の燃料電池アセンブリ１６を省略している）。燃料電池スタック１２は、より多量またはより少量の電力を供給するように、それぞれより多い数またはより少い数の燃料電池アセンブリを含んでもよい。
【００２５】
図２で示すように、燃料は、燃料電池スタック１２をカスケード流パターンで導かれる。最初の４３枚の燃料電池アセンブリ１６から構成された第１のセット１１は、セット内の燃料流が概ね燃料電池スタック１２を流れる冷却剤の流れと反対の同一平行方向（矢印１３で示されている）になるように配置される。２つの燃料電池アセンブリ１６の次のセット１５を流れる燃料流は、第１のセット１１の燃料の流れに連続しており、そして、セット１５内の概ね燃料電池スタック１２を流れる冷却剤の流れと同じ方向（矢印１７で示される方向）である。２つの燃料電池アセンブリ１６の最終のセット１９を流れる燃料は、第１および第２のセット１１、１５と連続しており、セット１９内の概ね燃料電池スタック１２を流れる冷却剤の流れと反対の同一平行方向（矢印２１で示された方向）である。酸化剤は、平行な４７個の燃料電池の各々に、燃料電池スタック１２を流れる冷却剤の流れと概ね同じ方向で供給される。
【００２６】
燃料電池アセンブリ１６の最終セット１９は、パージセル部分３６を備える。パージセル部分３６は、パージバルブが開くことによって定期的に放出される無反応性コンポーネントを蓄積する。
【００２７】
各膜電極アセンブリ２０は、アノード２２とカソード２４との間におよそ０．６Ｖの名目上の電位差が生じるように設計されている。反応物流（水素および空気）は反応物チャンネル３０を流れてイオン交換膜２６のどちらかの側の電極２２、２４に供給される。水素はアノード２２に供給され、アノードでは、白金触媒２７がプロトンおよび電子への分離を促進し、プロントおよび電子は、有用な電気として外部回路（図示せず）を流れる。膜電極アセンブリ２０の反対側において、空気は、イオン交換膜２６を通過したプロトンと反応して生成物の水を生成するカソード２４に通じる反応物チャンネル３０を流れる。
（燃料電池システムセンサおよびアクチュエータ）
図１を引き続き参照すると、電子コントロールシステム１４は、回路板３８に様々な電気的および電子的コンポーネント、燃料電池システム１０全体に分布する様々なセンサ４４およびアクチュエータ４６を備えている。回路板３８は燃料電池システム動作を実行するために適切にプログラムされた、または構成されたマイクロプロセッサ、あるいはマイクロコントローラ４０を保持している。マイクロコントローラ４０は、ＣａｌｉｆｏｒｎｉａのＳａｎ  ＪｏｓｅのＡｔｍｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＡｔｍｅｌ  ＡＶＲ  ＲＩＳＣマイクロコントローラの形態をとり得る。電子コントロールシステム１４はまた、マイクロコントローラ４０のＥＥＰＲＯＭ部分、または別個の不揮発性コントローラ読出し可能メディアのような持続性メモリ４２を含む。
【００２８】
マイクロコントローラ４０は、センサ４４からの入力を受け、アクチュエータ４６に出力を供給するように接続されている。入力および／または出力は、デジタル信号および／または、アナログ信号のどちらかの形態をとり得る。燃料電池スタック１２が電子コントロールシステム１４に十分な電力を供給できるまで、再充電可能バッテリー４７は、電子コントロールシステム１４に電力を供給する。マイクロコントローラ４０は、燃料電池システムの動作中の電力のスイッチングおよび／または燃料電池の動作中のバッテリー４７の再充電のために燃料電池スタック１２とバッテリー４７との間で選択的に接続可能である。
【００２９】
図３は、さらに詳細に燃料電池システム１０の様々な要素を示し、図を明瞭にするために図１で省略した様々な他の要素を示している。
【００３０】
特に図３を参照すると、燃料電池システム１０は、燃料システム５０によって燃料（例えば水素）をアノード２２に供給している。燃料システム５０は、１つ以上の燃料タンク５２のような燃料源と、燃料の送達をコントロールするための燃料レギュレーティングシステム５４とを含む。燃料タンク５２は、水素またはメタノールのような他の燃料を含み得る。あるいは、燃料タンク５２は、メタンまたは天然ガスなど再形成されることによって水素が発生し得るプロセス流を表し得る（このような場合における再形成剤は燃料電池システム１０で提供されている）。
【００３１】
燃料タンク５２は、各燃料タンク５２からの燃料の流れをコントロールするために燃料タンクバルブ５６を含む。燃料タンクバルブ５６は、マイクロコントローラ４０によって自動的に、かつ／または人間のオペレータによって手動でコントロールされ得る。燃料タンク５２は、再充填されてもよいし、使い捨てされてもよい。燃料タンク５２は、燃料システム５０および／または燃料電池システム１０と一体化されてもよいし、または別のユニットの形態をとっても良い。本実施形態において、燃料タンク５２は、水素化物貯蔵タンクである。燃料電池スタック１２によって生成された熱によって暖められた排出冷気によって加熱することができるように、燃料タンク５２は、燃料電池システム１０の中に配置される。そのようなクロ熱は、水素化物貯蔵メディアからの水素の放出を容易にする。
【００３２】
燃料電池モニタリングおよびコントロールシステム１４は、水素濃度センサＳ５、水素ヒーター電流センサＳ６および水素センサチェックセンサＳ１１を含む。水素ヒーター電流センサＳ６は、水素濃度センサＳ５との一体化されたコンポーネントである水素ヒーター要素をモニタリングするために接続されている電流センサの形態をとり得る。水素センサチェックセンサＳ１１は、水素濃度センサＳ５が機能しているかどうか判定するために、以下に説明するように、水素濃度センサＳ５のホイーストンブリッジのポジティブレッグにかかる電圧をモニタリングしている。
【００３３】
燃料タンク５２は、微粒不純物が燃料レギュレーティングシステム５４に入らないことを保証したフィルター６０を介して燃料レギュレーティングシステム５４と接続されている。燃料レギュレーティングシステム５４は、燃料タンク５２に残っている燃料の量を示す、燃料タンク５２の燃料圧力をモニタリングする圧力センサ６２を含む。圧力リリーフバルブ６４は、燃料システム５０の過剰な圧力を軽減するために自動的に動作する。圧力リリーフバルブ６４は、スプリングおよびボールリリーフバルブの形態をとり得る。メインガスバルブソレノイドＣＳ５は、燃料タンク５２と燃料レギュレーティングシステム５４との間の燃料輸送を供給するためにマイクロコントローラ４０からの信号に応答してメインガスバルブ６６を開閉する。ソレノイドのようなさらなる燃料タンクコントローラＣＳ７は、燃料タンクバルブ５６を通る流れをコントロールする。水素レギュレーター６８は、燃料タンク５２からの水素の流れをレギュレーションする。燃料は、スタック１２の燃料流注入ポートにつながっている水素注入コンジット６９を通って燃料電池アセンブリ１６のアノード２２に送達される。
【００３４】
燃料レギュレーティングシステム５４のセンサ４４は、燃料電池システム動作を許容限界内に維持するために複数の燃料電池システムの動作パラメータをモニタリングしている。例えば、スタック電圧センサＳ３は、燃料電池スタック１２にかかる総電圧を計測している。パージセル電圧センサＳ４は、パージセル部分３６（図２のカスケード設計における燃料電池アセンブリ１６の最終セット１９）にかかる電圧をモニタリングしている。電池電圧チェッカーＳ９は、各燃料電池アセンブリ１６にかかる電圧が許容限界内であることを確実にしている。図３において「ＦＣＭ」と表示したブロック（すなわち燃料電池マイクロコントローラ４０）に向けた矢印によって識別されているように、各センサＳ３、Ｓ４、Ｓ９は、マイクロコントローラ４０に入力を提供している。
【００３５】
燃料パージバルブ７０は、燃料電池スタック１２の燃料流排出ポート３５に提供されており、スタック１２が動作している場合、通常閉じ位置にある。燃料は、所望の電気化学的反応速度を維持するように必要に応じて燃料電池スタック１２に供給される。カスケード流設計のため、動作中にパージセル部分３６に、供給燃料流中の不純物（例えばニトロゲン）が溜まりやすい。パージセル部分３６の中の不純物の蓄積はパージセル部分３６の性能を低減させる。パージセル電圧センサＳ４が、閾値電圧レベルより性能が下がったことを検出した場合に、マイクロコントローラ４０は、パージバルブ３６を開け、パージセル部分３６に溜まり得る不純物および他の無反応コンポーネントを放出する（総称して「パージ放出」と呼ばれる）ように、ソレノイドのようなパージバルブコントローラＣＳ４に信号を送り得る。パージ中のパージバルブ７０による水素の排出は、以下に説明するモニタリングおよびコントロールシステム１４が破損または故障を引き起こすことを防ぐために制限される。
【００３６】
燃料電池システム１０は、酸素デリバリーシステム７２によって膜電極アセンブリ２０のカソード側へ気流の中に酸素を供給する。酸素または空気の源７４は、空気タンクまたは周囲の大気の形式を取り得る。フィルター７６は、微粒子不純物が酸素デリバリーシステム７２に入らないことを保証する。空気圧縮コントローラＣＳ１は、所望の流速で燃料電池スタック１２に空気を供給するように空気圧縮器７８をコントロールしている。マス空気流センサＳ８は、燃料電池スタック１２に入る空気の流速を計測し、マイクロコントローラ４０に入力として値を提供する。湿度変換器８０は、イオン変換膜２６の湿りを維持するために空気に水蒸気を加える。湿度変換器８０は、また電気化学的反応の副産物の水蒸気を除去する。過剰の液体の水は、蒸発器５８に供給される。
【００３７】
燃料電池システム１０は燃料電池スタック１２からの過剰な熱を除去する。そして、冷却システム８２によって燃料タンク５２を暖めるために過剰な熱を利用する。冷却システム８２は、例えば、燃料電池スタック１２のコア温度をモニタリングしているサーミスターのような燃料電池温度センサＳ１を含む。温度は、マイクロコントローラ４０に入力として供給される。例えば、ホールセンサのようなスタック電流センサＳ２は、燃料電池スタック１２を流れる総電流を計測し、マイクロコントローラ４０に電流の値を入力として提供する。冷却ファンコントローラＣＳ３は、燃料電池スタック１２を冷却するための１つ以上の冷却ファン８４の動作をコントロールしている。燃料電池スタック１２を通過した後、暖められた冷却空気は、燃料タンク５２の周囲を循環する。その後暖められた冷却空気は、蒸発器５８を通過する。電力回路リレーコントローラＣＳ６は、マイクロコントローラ４０に応答して、燃料電池スタック１２を外部電気回路に接続し、外部電気回路から断絶する。パワーダイオード５９は、燃料電池システム１０に外部負荷からの保護を提供するために、燃料電池システム１０に外部負荷からの一方向の絶縁を提供する。バッテリーリレーコントローラＣＳ８は、燃料電池スタック１２とバッテリー４７との間で燃料電池モニタリングおよびコントロールシステム１４を接続および断絶する。
【００３８】
燃料電池モニタリングおよびコントロールシステム１４（図４に図示）は、燃料電池システムの周囲をモニタリングするセンサ、およびそれに応じて燃料電池システム１０をコントロールするアクチュエータを含む。例えば、水素濃度センサＳ５（図３に図示）は、燃料電池スタック１２の周囲の大気の水素濃度レベルをモニタリングする。水素濃度センサＳ５は、温度補償され得る水素感知サーミスターを有する加熱要素の形態をとり得る。酸素濃度センサＳ７（図４に図示）は、燃料電池システム１０の周囲の大気の酸素濃度レベルをモニタリングする。例えばデジタルセンサのような大気温度センサＳ１０（図３に図示）は、燃料電池システム１０の周囲の大気温度をモニタリングする。
【００３９】
図４を参照すると、マイクロコントローラ４０は、大気温度、燃料圧力、水素濃度、酸素濃度、燃料電池スタック電流、空気マス流、電池電圧チェック状態、燃料電池スタックにかかる電圧、以下に述べられている様々なセンサからの燃料電池スタックのパージセル部分にかかる電圧のような様々なセンサの計測結果を受信する。マイクロコントローラ４０は、空気圧縮器コントローラＣＳ１、冷却ファンコントローラＣＳ３、パージバルブコントローラＣＳ４、メインガスバルブソレノイドＣＳ５、パワー回路レーコントローラＣＳ６、水素タンクバルブソレノイドＣＳ７、およびバッテリーリレーコントローラＣＳ８のような様々なアクチュエータにコントロール信号を提供する。
（燃料電池システム構造配置）
図５〜８は燃料電池システム１０のコンポーネントの構造配置を図示している。便宜的に、「上部」、「底」、「上」、「下」および類似の表記は、説明において単に基準の点として用いられ、動作中の図示された燃料電池システム１０の概括的な方向と対応しているが、動作中またはそれ以外の状態の燃料電池システム１０の方向を限定するように解釈されるべきではない。
【００４０】
図５〜７を参照すると、空気圧縮器７８および冷却ファン８４は、燃料電池スタック１２の一方の端部（「空気供給端部」）で一緒にまとめられている。燃料タンク５２（図５〜７に図示せず）は、燃料電池スタック１２の上部に、長さ方向に沿ってマウントすることができる。燃料電池スタック１２の上流側の燃料レギュレーティングシステム５４のコンポーネントは、概して空気供給端部の反対側のスタック１２の端部（「水素供給端部」）に配置される。
【００４１】
空気圧縮器７８は、空気供給端部において燃料電池スタック１２に取外し可能に取付けられた絶縁された筐体７００内に収容されている。筐体７００は、筐体７００へ空気を提供させる、フィルター７６でカバーされた空気供給孔７０２を有する。空気圧縮器７８は、容積低圧タイプ圧縮器である。空気圧縮器７８は、オペレータによってコントロールできる流速で空気供給コンジット８１へ供給空気を伝導するように動作可能である。空気供給コンジット８１は、圧縮器筐体７００のコンジット孔７０４を通過し、湿度変換器８０の空気供給注入口７０６と接続される。マスフローセンサＳ８は、空気圧縮器７８の注入口上、好ましくは圧縮器筐体７００内に配置される。
【００４２】
湿度変換器８０は、米国特許第６，１０６，９６４号に開示されているタイプのものであってよく、空気供給端部近傍の燃料電池スタック１２のある側面にマウントされている。空気供給コンジット８１を介して湿度変換器８０に入る空気は、湿度を与えられ、その後、湿度変換器８０から燃料電池スタック１２へと（エンドプレート１８ｂの供給空気注入ポートを介して）排気される。燃料電池スタック１２からの排出空気は、エンドプレート１８ｂの排気排出ポートを介して排出され、湿度変換器８０へ誘導される。湿度変換器８０において排気流の内の水は、供給気流に移される。排気流は、排気排出口７１２を介して湿度変換器８０から放たれ、排気コンジット（図示せず）を介して燃料電池スタック１２上方のカバー（図示せず）にマウントされた蒸発装置５８（図５〜７で図示せず）へ伝導される。
【００４３】
冷却ファン８４は、ファン筐体７２０の中に収容されている。ファン筐体は、燃料電池スタック１２の空気供給端部に圧縮器筐体７００の下方に取外し可能にマウントされている。ファン筐体７２０は、冷却ファン８４から燃料電池スタック１２の底の冷却チャンネルの開口部に冷却空気を誘導しているダクト７２４を含む。冷却空気は、上方向に燃料電池スタック１２を介して（冷却チャンネル３２を介して）流れ、燃料電池スタック１２の上部の冷却チャンネルの開口部より放出される。動作中に冷却空気によって燃料電池スタック１２より取り出された熱は、スタック１２の上にスタック１２の長さに沿って、直接マウントされる燃料タンク５２を暖められるために利用される。暖められた冷却空気のいくらかは、酸化剤供給空気として使われるために圧縮器筐体７００の空気供給孔７０２に再度方向付けられ得る。
【００４４】
特に図７を参照すると、マイクロコントローラ４０、酸素センサＳ７、大気温度センサＳ１０がマウントされた回路板３８は、マウントブラケット７３０によって燃料電池スタック１２１の湿度変換器８０と反対側の面にマウントされる。ポジティブ電力またはネガティブ電力供給ライン７３２、７３４は、燃料電池スタック１２の各端部から伸びており、外部負荷に接続可能である。各電力供給ライン７３２、７３４からの導電性ブリードワイヤー７３６は、スタックパワーイン端子７３８で回路板３８に接続される。この導電性ブリードワイヤー７３６は、回路板３８上のコンポーネントならびに端子７３９で回路板３８に電気的に接続されたセンサ４４およびアクチャエーター４６に電力を与えるために燃料電池スタック１２によって生成された電気のいくらかを伝える。同様にバッテリー４７（図５〜７に図示せず）は、バッテリーパワイン端子７４０で回路板３８と電気的に接続されている。バッテリー４７は、燃料電池スタック出力がまだ、公称レベルに達していないとき（例えば起動時）に、回路板３８のコンポーネント、センサ４４およびアクチュエータ４６に電力供給している。一旦、燃料電池スタック１２が公称動作状況に達すると、燃料電池スタック１２はまた、バッテリー４７を再充電するように電力供給し得る。
【００４５】
全体的には、図５〜７、詳細には、図８を参照すると、ブラケット７４１が、水素供給端部の燃料電池スタック上方で燃料タンクバルブコネクター５３、水素圧力センサ６２、圧力リリーフバルブ６４、メインガスバルブ６６および水素圧力レギュレータ６８をマウントするために水素供給端部に設けられている。適切な圧力レギュレータは、Ｍａｒｓｈａｌｌｔｏｗｎ、ＩｉｏｗａのＦｉｓｈｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｓから入手可能なタイプ９１２圧力レギュレータであり得る。適切な圧力センサは、Ｄａｌｌａｓ、ＴｅｘａｓのＴｅｘａｓのＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓが供給するトランデューサであり得る。適切な圧力リリーフバルブは、Ｂｕｆｆａｌｏ  Ｇｒｏｖｅ、ＩｌｌｉｎｏｉｓのＳｃｈｒａｅｄｅｒ−Ｂｒｉｄｇｅｐｏｒｔが提供するものであり得る。圧力リリーフバルブ６４は、燃料タンク５２に提供され、約３５０ｐｓｉで開くようにセットされ得る。低圧力リリーフバルブ７４２は、燃料電池スタック１２に提供されている。ブラケット７４１も、水素濃度センサＳ５、水素加熱流センサＳ６および水素センサチェックセンサＳ１１をマウントするために提供される。図６において、ブラケット７４１は、隠れたラインで透明に示され、Ｓ５、Ｓ６、およびＳ１１を見ることができる。燃料タンク５２は、燃料タンクコネクター５３と接続可能である。燃料タンクおよびメインガスバルブ５６および６６が開けられる場合、水素は燃料供給コンジット６９を通って、エンドプレート１８ａの燃料注入ポートへ（圧力センサ６２によってモニタリングされ、そして水素圧力レギュレータ６８によって調整可能な）コントロール圧力下で提供される。パージバルブ７０は、エンドプレート１８ｂの燃料排出ポートに位置する。
【００４６】
燃料電池システム１０および燃料タンク５２は載荷点７４４でベース（図示せず）と接続され、燃料電池システムカバー（図示せず）内に収容される。燃料電池スタック１２の上部から排出される冷却空気は、このように供給空気注入口７０２に、または燃料レギュレーティングシステム５４を超えて、筐体の冷却空気放出孔にカバーによって誘導される。
【００４７】
水素を放出するように設計される、または水素の漏れの危険を表示するコンポーネントが、実際と同様、冷却空気パスに配置する、または冷却空気パスに誘導される放出／リークを有するように、燃料電池システム１０は、設計されている。冷却空気パスは、ダクト７２４、スタック１２の冷却空気チャンネルおよびスタック１２の上方のシステムカバーの一部によって規定され、冷却空気パスを通過した冷却空気流は、図５、６および７において矢印で示されている。直接冷却空気パス内のコンポーネントには、燃料タンク５２、ならびに圧力リリーフバルブ６４、メインガスバルブ６６、および水素レギュレータ６８のような燃料レギュレーティングシステム５４のコンポーネントが含まれる。直接冷却空気パス内にないコンポーネントは、冷却空気パスと流動的に接続され、パージコンジット（図示せず）を介してダクト７２４に接続されたパージバルブ７０と、コンジット７４６を介して燃料レギュレーティングシステム５４近傍の排出口に接続される低圧力リリーフバルブ７４２とを含む。冷却空気ファン８４の動作中に、冷却空気流は、図５、６または７で示される矢印の方向で、ダクト７２４を通りスタック１２を過ぎてシステム１０の外にリーク／排出水素を運ぶ。水素濃度センサＳ５は、冷却空気流において運ばれる水素を検知するように冷却空気流においてできるだけ下流に効果的に設置する。
【００４８】
水素濃度センサＳ５は、また燃料レギュレーティングシステム５４からの水素のリーク／放出の検知を改良するように燃料レギュレーティングシステム５４のコンポーネント近傍に設置される。
【００４９】
図９は、燃料電池アセンブリ１６を少なくとも１つ含む燃料電池構造８８にかかる電圧を判定する電池電圧チェッカーＳ９の一部分８６を示す。例示的な実施形態において、燃料電池構造８８は、一対の燃料電池アセンブリ１６である。２つの燃料電池アセンブリ１６から構成される燃料電池構造８８を利用することによって、コストおよび性能に関して電池電圧チェッカーＳ９回路が最適化される。１つの燃料電池アセンブリのみを有する燃料電池構造８８を利用することは、２倍多くのコンポーネントを必要とするが、２つより多い燃料電池アセンブリ１６を有する燃料電池構造８８を利用することは、電池電圧チェッカーＳ９の分解能（例えば、最小限の電圧降下を検知する能力）を下げる。図９に示された構造は、各燃料電池アセンブリ１６がアノードおよびカソードにかかるおおよそ０．６Ｖの電位差を生成する場合にとくに適切である。２つの燃料電池アセンブリ１６を有する燃料電池構造８８は、おおよそ１．２Ｖのトータル電位差を生成する。一対より多い燃料電池アセンブリ１６のグループにかかる電圧をモニタリングすることが可能であるが、モニタリング回路の分解能を妨げ、性能が低い燃料電池を検知することをより困難にしている。
【００５０】
回路部８６は、ｐｎｐバイポーラ接合トランジスタのようなトランジスタ９０を含む。トランジスタ９０のエミッタ９２は、燃料電池構造８８のカソード９４と接続される。トランジスタ９０のベース９６は、第１の抵抗器１００を介して燃料電池構造８８のアノード９８と接続される。燃料電池構造８８のカソード９４もまた第２の抵抗器１０２を介してトランジスタ９０のベース９６と接続される。
【００５１】
電圧センシング要素としてのトランジスタ９０の使用は、他の電子コンポーネント以上の固有の利点を提供する。市販されているトランジスタは、おおよそ０．８５Ｖのトリガー電圧または閾値電圧を有する。各燃料電池アセンブリ１６におおよそ０．６Ｖ電位がかかっている場合、トランジスタ９０は、１．２Ｖの総電位を有する一対の燃料電池８８にかかる電圧の動作上の著しい降下を検知するために十分な分解能を提供する。市販されている他の電子コンポーネントは、同程度に適切な結果として提供する閾値を有しない。例えば、市販されている発光ダイオード（「ＬＥＤ」）またはオプトアイソレーターはおおよそ１．４〜１．６Ｖのトリガーまたは閾値を有する。上記されたように、コスト、構造の簡略さ、および、個々の燃料電池アセンブリ１６および／または燃料電池アセンブリ１６のより大きなのグループにかかる電圧ではなく燃料電池の対８８にかかる電圧のモニタリングに対するモニタリング有効性において優位である。
【００５２】
回路部８６は、トランジスタ９０の出力をデジタル化するデジタル化回路部を含む。例えば、回路部８６は、入力端子１０６ならびにエミッタ１１６およびコレクター１２０を有する出力側１１８を有する燃料電池対オプトアイソレータ１０４を利用し得る。燃料電池対オプトアイソレータ１０４の入力端子１０６は、トランジスタ９０のコレクター１０８とネガティブ電位差１１０との間に第３の抵抗器１１２を介して接続される。ネガティブ電位差１１０は、グランド１１４に対してネガティブである。ネガティブ電位差１１０は、燃料電池構造８８の最下電圧より低くなる必要がある。燃料電池対オプトアイソレータ１０４の出力側１１８のエミッタ１１６は、グランド１１４に接続されている。燃料電池対オプトアイソレータ１１４の出力側１１８のコレクター１２０は、第４の抵抗器１２４を通るポジティブ電位差１２２と接続される。ポジティブ電位差１２２は、グランドがＯＦＦ信号として機能する場合、識別可能なＯＮ信号を提供するようにグランド電位１１４より十分高くセットされている。このように、デジタル信号１２６は、燃料電池対オプトアイソレータ１０４のコレクター１２０で生成される。
【００５３】
閾値電圧は、トランジスタ９０のベース９６に接続された第１のおよび第２の抵抗器１００、１０２の比を調整することによって調整され得る。特定の回路配置のための適切な閾値電圧は、電池対毎に０．７Ｖから０．９Ｖの範囲内にある。そして、０．８Ｖから０．８５Ｖの範囲が、特に適している。
【００５４】
組み合わされた図１０Ａ〜１０Ｈは、電池電圧チェッカーＳ９を実装する電圧チェック回路１２８を示す（図１２は、図１０Ａ〜１０Ｈの位置関係を示すマップである）。回路１２８は、２３個の回路部８６（図９）を含み、燃料電池スタック１２の燃料電池アセンブリ１６一対につき１つ含む。回路１２８は、より多くのまたは少ない回路部８６を利用し得、燃料電池スタック１２内の燃料電池の対の数によって決定される。
【００５５】
図１０Ａ〜１０Ｈに示すように回路部８６は、燃料電池アセンブリ１６の１つ以上の対から構成されるグループと対応するグループ１３０に配置される。グループ分けは、便宜的なものであり、利用数は、燃料電池アセンブリ１６の対の数より多くてもよいし、少くなくてもよい。各グループ１３０において、燃料電池対オプトアイソレータ１０４の出力側１１８は、直列に、ある燃料電池対オプトアイソレータ１０４のエミッタ１１６がグループ内のつぎの連続する燃料電池対オプトアイソレータ１０４のコレクター１２０に接続され、このように「ＡＮＤ」回路グループの形態をとり得る。グループ１３０内の燃料電池対オプトアイソレータ１０４のいづれか１つのグランドは、グループ１３０からのグランド出力になる。
【００５６】
各グループ１３０の最終オプトアイソレータ１０４のエミッタ１１６は、各燃料電池グループオプトアイソレータ１３２の入力リードと接続される。燃料電池構造オプトアイソレータ１３２の出力側１１８は、燃料電池スタック「ＡＮＤ」回路を作成するために直列に接続される。直列に接続された燃料電池グループオプトアイソレータ１３２は、グーループ１３０の出力を「ＡＮＤ」演算して単一の出力を生成する。分離オプトアイソレータ１３４は、マイクロコントローラ４０へ燃料電池スタック「ＡＮＤ」回路の結果を接続する。
【００５７】
「ＡＮＤ」関数または回路は、図示されたようにオプトアイソレータの列が各電池対から直列になるように形成され得るが、「ＡＮＤ」関数または回路は、代替的な複数の入力「ＡＮＤ」ゲートを利用してもよい。図示された設計は、パーツ数量を減らすために別々の「ＡＮＤ」ゲートではなくオプトアイソレータ１０４、１３２の列を利用している。
【００５８】
コネクター１３６は、対の燃料電池アセンブリ１６を各回路部８６に接続している。インターフェイス１３８は、電圧チェック回路１２８および様々な他の回路を回路基板３８および／またはマイクロコントローラ４０に接続する。
（動作の例示的方法）
燃料電池システム１０は、マイクロコントローラ４０がいずれの操作またはタスクを実行するか決定し得、燃料電池システム動作パラメータの様々な読み出し、または、計測結果に対するマイクロコントローラ４０の応答を決定し得る複数の動作状態を利用し得る。マイクロコントローラ４０は、マイクロコントローラ４０のオンチップフラッシュメモリあるいは他のコントローラ読み出し可能メモリ内にプログラムされ、そこから実行され得るソフトウ空気を実行する。特に、燃料電池システム１０は、スタンバイ状態、起動状態、運転状態、警告状態、機能停止状態および停止状態を利用し得る。
【００５９】
スタンバイ状態において、燃料電池スタック１２は動作しておらず、マイクロコントローラ４０は、起動信号のスタートラインをモニタリングしている。例えば、オペレータがスタートボタンまたはスイッチ（図示せず）をアクティブにすることは、スタートラインで起動信号を生成し得る。
【００６０】
起動状態において、マイクロコントローラ４０は、自身を初期化し、全てのアクチュエータおよびコントロールデバイスを適切な初期化状態にし、シリアルインターフェイスを有効にし、ウォッチドッグタイマーをスタートし、全てのシステムおよびコンポーネントが動作することを保証するために一連のチェックを行う。チェックの結果が満足できる場合は、マイクロコントローラ４０は、外部負荷を接続させ、運転状態に入る。満足しなければ、燃料電池システム１０は動作可能にならずに機能停止状態に入る。
【００６１】
運転状態において、燃料および酸化剤は、動作可能な燃料電池スタック１２に供給される。マイクロコントローラ４０は、計測された動作パラメータを基に、燃料電池システム１０の性能をモニタリングし、上記の様々なアクチュエータを介し様々なシステムをコントロールする。マイクロコントローラ４０が、１つ以上の動作パラメータが警戒範囲外であると判定した場合、マイクロコントローラ４０は燃料電池システム１０を警戒状態にする。警戒範囲外にない場合、燃料電池システム１０は、スタートアップラインで停止信号を受信するまで運転状態を続ける。マイクロコントローラ４０は、停止信号に応答して、燃料電池システムが少なくとも１分間運転状態にある場合、燃料電池システム１０を運転状態から停止状態へ進める。その場合、マイクロコントローラ４０は、おおよそ４５秒間続く延長されるシャットダウン処理を始める。この間、燃料電池システムが停止状態にある。燃料電池システムが少なくとも１分間運転状態にない場合、マイクロコントローラ４０は、通常シャットダウン処理を行い、燃料電池システム１０は、運転状態から直接スタンバイ状態へ進む。
【００６２】
警戒状態においてマイクロコントローラ４０は、オペレータに警戒範囲外状態の警告通知を提供し得る。しかし、警戒状態になければ燃料電池システム１０は動作し続ける。さらに、マイクロコントローラ４０は、持続性メモリ４２に警戒範囲外状態に対応する警戒状態コードを書き込み得る。
【００６３】
機能停止状態において、マイクロコントローラは、直ちに燃料電池システム１０の動作を停止し、持続性メモリ４２に機能停止状態コードを書き込む。燃料電池システム１０は、スタートラインで停止信号を受信するまで機能停止状態のままである。停止信号に応答して、マイクロコントローラ４０は、燃料電池システム１０のシャットダウンを完了し、燃料電池システムをスタンバイ状態にする。
【００６４】
停止状態において、マイクロコントローラ４０は、燃料電池システム１０の様々なコンポーネントをシャットダウンし、燃料電池システム１０の動作を停止する。一旦、様々なコンポーネントがシャットダウンされると、マイクロコントローラ４０は、燃料電池システムをスタンバイ状態にする。
【００６５】
図１１は、電池電圧チェッカーＳ９の（ステップ２０２でスタートする）動作方法２００を図示する。ステップ２０４において、電圧チェッカー回路１２８は、燃料電池対８８にかかる電圧のモニタリングしている。ステップ２０６において、電圧チェック回路１２８は、燃料電池アセンブリ１６の各対８８にかかる電圧が閾値電圧以上かを判定している。記載されている実施形態における適切な閾値電圧は、おおよそ８５０ｍＶである。ステップ２０８において、各燃料電池対にかかる電圧が閾電圧値以上である場合、電圧チェック回路１２８は、第１の指示を生成する。ステップ２１０において、任意の燃料電池の対にかかる電圧が、閾値電圧以上でない場合、電圧チェック回路１２８は、第１の指示と異なる第２の指示を生成する。電圧チェック回路１２８は、好ましくは燃料電池アセンブリ１６の対８８にかかる電圧をモニタリングし続ける。
【００６６】
この操作は、図９および図１０Ａ〜Ｈにある様々な電気的および電子的機器を介して実現される。例えば、複数の回路部８６（図９）は、燃料電池対８８の少なくとも１つが閾値電圧レベルより大きい電圧降下を受けるときを示す信号の指示を生成するためにつなぎ合わされている（図１０Ａ〜Ｈ）。電圧チェック回路１２８は、閾値検知としてのｐｎｐトランジスタ９０のベースエミッタ接合にかかる電圧降下を利用している。ｐｎｐトランジスタ９０のｐ−ｎ接合を導通させるために要求される電圧は、おおよそ０．６Ｖである。電池電圧チェッカーＳ９は、適切な閾値電圧（例えば０．８５Ｖ）のセットのために選択された抵抗値を利用することによって固有の特徴を利用しつつ、電圧チェック回路１２８のコンポーネント数を減縮し、かつ任意の単一の燃料電池１６の機能停止を検知のための十分な分解能を保つ。
【００６７】
ｐｎｐトランジスタ９０は、燃料電池スタック１２の対の燃料電池アセンブリ１６間に接続されている（図１）。ｐｎｐトランジスタ９０のベースエミッタ接合にかかる電圧が、トランジスタ９０が導通する値以上になる場合、燃料電池対オプトアイソレータ１０４は、ＯＮになる。ベースエミッタ接合にかかる電圧がトランジスタ９０が導通する値以上にならない場合、燃料電池対オプトアイソレータ１０４は、ＯＦＦになる。このように、回路部８６は、デジタル信号ライン１２６でデジタル出力（すなわち＋５Ｖまたは０Ｖ）を生成する。「ＡＮＤ」関数または回路は、任意の燃料電池対８８が閾値電圧下であるかどうかを示す単一の値を生成し、このように、警報回路を形成する。
【００６８】
本発明の特定の実施形態および例が例示の目的で記載されたが、様々な同等の改変は、当業者に認められるように本発明の意図および範囲から逸脱することなくなされ得る。ここで提供された発明の教示は、他の燃料電池システムに適用され得、必ずしも上述されたＰＭＥ燃料電池システムでなくてもよい。
【００６９】
概して、米国特許出願第０９／９１６，２４１号は、ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＡＭＢＩＥＮＴ  ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴ  ＭＯＮＩＴＯＲＩＮＧ  ＡＮＤ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ（Ａｔｔｙ．Ｄｏｃｋｅｔ  Ｎｏ．１３０１０９．４０４）と題されており、第０９／９１６，１１７号は、ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ  ＳＥＬＦ  ＩＮＳＰＥＣＴＩＯＮ（Ａｔｔｙ．Ｄｏｃｋｅｔ  Ｎｏ．１３０１０９．４０５）と題されており、第０９／９１６，２１１号は、ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＰＵＲＧＩＮＧ  ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ（Ａｔｔｙ．Ｄｏｃｋｅｔ  Ｎｏ．１３０１０９．４０７）と題されており、第０９／９１６，２１３号は、ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＲＥＳＵＳＣＩＴＡＴＩＯＮ  ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ（Ａｔｔｙ．Ｄｏｃｋｅｔ  Ｎｏ．１３０１０９．４０８）と題されており、第０９／９１６，２４０号は、ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＳＹＳＴＥＭ  ＭＥＴＨＯＤ，ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＡＮＤ  ＳＣＨＤＵＬＩＮＧ（Ａｔｔｙ．Ｄｏｃｋｅｔ  Ｎｏ．１３０１０９．４０９）と題されており、第０９／９１６，２３９号は、ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＳＹＳＴＥＭ  ＡＵＴＯＭＡＴＩＣ  ＰＯＷＥＲ  ＳＷＩＴＣＨＩＮＧ  ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ（Ａｔｔｙ．Ｄｏｃｋｅｔ  Ｎｏ．１３０１０９．４２１）と題されており、第０９／９１６，１１８号は、ＰＲＯＤＵＣＴ  ＷＡＴＥＲ  ＰＵＭＰ  ＦＯＲ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＳＹＳＴＥＭ（Ａｔｔｙ．Ｄｏｃｋｅｔ  Ｎｏ．１３０１０９．４２７）と題されており、第０９／９１６，２１２号は、ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＳＹＳＴＥＭ  ＨＡＶＩＮＧ  Ａ  ＨＹＤＲＯＧＥＮ  ＳＥＮＳＯＲ（Ａｔｔｙ．Ｄｏｃｋｅｔ  Ｎｏ．１３０１０９．４２９）と題されており、全て２００１年７月２５日に出願されており、その全体を本発明において参照として援用する。
【００７０】
上述され、本発明において参照として援用された出願および特許における様々な実施形態は、さらなる実施形態の提供するために組み合わせれ得る。述べられた方法は、いくつかの動作を省略し、他の動作を加え得る。発明の進歩を達成するように、図示されたものと異なる順序で動作を実施し得る。
【００７１】
これらならびに他の変更は、詳細な説明上の観点から本発明に対して得る。概して、以下の特許請求の範囲における用いられる専門用語は、明細書に記載された特定の実施形態に本発明を限定するように解釈されるべきではない。しかし、特許請求の範囲に従って動作する全ての燃料電池システム、コントローラ、プロセッサ、アクチュエータおよびセンサを含むと解釈されるべきである。したがって、本発明は、開示されるものに限定されず、しかし、代わりにその範囲は、以下の特許請求の範囲によって完全に決定される。
【００７２】
前述から、本発明の特定の実施形態が、説明の目的のために本明細書中に述べられているが、本発明の意図および範囲から逸脱することなく様々な改変がされ得ることが理解され、したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲によって以外限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】図１は、燃料電池スタックを含む燃料電池システムと燃料電池モニタリングおよびコントロールシステムを含む制御電子機器との等大、部分的に拡大した図である。
【図２】図２は、図１の燃料電池システムのカスケード燃料電池スタックを通る燃料のフローを表す概略図である。
【図３】図３は、図１の燃料電池モニタリングおよびコントロールシステムの一部の概略図である。
【図４】図４は、燃料電池スタックとバッテリーとの間に選択的に接続される燃料電池マイクロコントローラを備える図３の燃料電池モニタリングおよびコントロールシステムの追加された部分の概略図である。
【図５】図５は、図１の燃料電池システムの様々なコンポーネントの構造配置の右上からの等大図である。
【図６】図６は、カバーを取外した図５の燃料電池システムの様々なコンポーネントの構造配置の右上からの等大図である。
【図７】図７は、図５の燃料電池システムの様々なコンポーネントの構造配置の左上からの等大図である。
【図８】図８は、図５の燃料電池システムの圧力レギュレータの一部分の右上からの等大図である。
【図９】図９は、電池電圧チェッカーセンサ回路の一部分の概略図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、図９の複数の回路を含む電池電圧チェッカーセンサの概略図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図９の複数の回路を含む電池電圧チェッカーセンサの概略図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、図９の複数の回路を含む電池電圧チェッカーセンサの概略図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、図９の複数の回路を含む電池電圧チェッカーセンサの概略図である。
【図１０Ｅ】図１０Ｅは、図９の複数の回路を含む電池電圧チェッカーセンサの概略図である。
【図１０Ｆ】図１０Ｆは、図９の複数の回路を含む電池電圧チェッカーセンサの概略図である。
【図１０Ｇ】図１０Ｇは、図９の複数の回路を含む電池電圧チェッカーセンサの概略図である。
【図１０Ｈ】図１０Ｈは、図９の複数の回路を含む電池電圧チェッカーセンサの概略図である。
【図１１】図１１は、図９および図１０Ａ〜Ｈの電池電圧チェッカーセンサ回路の例示的動作方法を示すフロー図である。
【図１２】図１２は、図１０Ａ〜Ｈの位置関係を示すマップである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｅ】
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【図１０Ｇ】
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【図１１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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