(57)【要約】燃料電池スタック（１２）のパージシステムは、燃料電池スタックのパージ電池部分（３６）にかかる電圧に応答して、コントローラからの制御信号に応答して、この燃料電池スタックからの排出をレギュレートするためのパージバルブ（７０）を備える。このパージバルブは、パージ電池部分にかかる電圧が、スタックにおける１つ以上の電池の現在の電圧に基づいて、閾値電圧の所定のパーセンテージ未満に降下した場合、このパージバルブは開かれる。閾値電圧は、この燃料電池スタックの燃料電池のいくつか、またはすべての平均電池電圧と等しくなり得る。パージは、制御されたパージ継続時間のパージバルブの１つ以上を連続的に開く工程を包含し得る。パージ継続時間は、スタックを通る瞬間的電流の流れに依存して調整され得る。
2004536438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
複数の燃料電池を有する燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックからのパージ放電をレギュレートするパージバルブと、
該パージバルブを開閉するように結合されたアクチュエータと、
燃料電池スタックのパージ条件が存在する場合、パルスパージシーケンスにおいて、該パージバルブを開閉するために、該アクチュエータを制御するように結合されたコントローラとを備え、該パルスパージシーケンスは、
パージ継続時間の間、該バルブを開く工程と、
ある保持期間のパージ継続時間の後、該パージバルブを閉じる工程と、
該バルブの開閉工程を、少なくとも１回繰返す工程と、
任意の後続パージの前に、パージ間継続時間の間、該バルブを閉じた状態に保つ工程とを包含する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記コントローラは、燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧が、該燃料電池スタックの少なくとも一部分にかかる平均燃料電池電圧のパーセンテージを超過したかどうかを決定することによって、スタックのパージ条件が存在するかどうかを決定するように構成される、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記パージ間継続時間は、前記パルスパージシーケンスにおいて、前記少なくとも１つのパージ継続時間および保持期間の各々よりも長い、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池システムであって、
複数の燃料電池を有する燃料電池スタックと、
該燃料セルスタックからのパージ放電をレギュレートするパージバルブと、
該パージバルブを開閉するように結合されたアクチュエータと、
燃料電池スタックのパージ条件が存在する場合、該パージバルブを開き、該燃料電池スタックを通る電流の流れに基づいて決定されたパージ継続時間の後で該パージバルブを閉じるために、該アクチュエータに制御信号を供給するように結合されたコントローラと
を備える、燃料電池システム。
【請求項５】
前記コントローラは、燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧が、該燃料電池スタックの少なくとも一部分にかかる平均燃料電池電圧のパーセンテージを超過したかどうかを決定することによって、スタックのパージ条件が存在するかどうかを決定するように構成される、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池スタックのパージシステムであって、
燃料電池スタックからの流れをレギュレートするパージバルブと、
該パージバルブを開閉するように結合されたアクチュエータと、
該燃料電池スタックのパージ電池部分を形成する、少なくとも１つの燃料電池の性能を示すパラメータを決定するように結合されたパージ電池モニタと、
該燃料電池スタックにおいて、少なくとも２つの燃料電池の性能を示すパラメータを決定するように結合された燃料電池モニタと、
該モニタリングされたパラメータ間の差に応答して該パージバルブを開くために、該アクチュエータに制御信号を供給するように結合されたコントローラと
を備える、パージシステム。
【請求項７】
前記パージセルモニタは、該パージ電池部分にかかる電圧を決定するために、前記燃料電池スタックのパージ電池部分を形成する、少なくとも１つの燃料電池にわたって結合されたパージ電池電圧センサを備え、
該燃料電池モニタは、前記燃料電池にかかる電圧を決定するために、該燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池にわたって結合された燃料電池電圧センサを備え、
前記コントローラは、該燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均電圧が、該少なくとも２つの燃料電池にわたって測定された閾値電圧の所定の第１のパーセンテージ未満に降下する、請求項６に記載のパージシステム。
【請求項８】
前記閾値電圧は、前記燃料電池スタックにおける前記少なくとも２つの燃料電池にわたって測定された前記燃料電池電圧を平均化することによって決定される、請求項７に記載のパージシステム。
【請求項９】
前記閾値電圧は、前記燃料電池スタックにおけるすべての燃料電池を、該燃料電池スタックにおける燃料電池の総数で割ることによって決定された平均燃料電池電圧と等しい、請求項７に記載のパージシステム。
【請求項１０】
前記コントローラは、燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧と、少なくとも２つの燃料電池にかかる平均燃料電池電圧とを決定し、該コントローラは、該平均パージ電池電圧が該平均燃料電池電圧の決定された第１のパーセンテージ未満に降下した場合、前記パージバルブを開くために、前記アクチュエータに制御信号を供給するように結合される、請求項７に記載のパージシステム。
【請求項１１】
前記コントローラは、前記アクチュエータに制御信号を提供して、決定されたパージ継続時間が経過した後に前記パージバルブを閉じるようにさらに結合され、該パージ継続時間の決定は、前記燃料電池スタックを通る電流の流れに基づく、請求項７に記載のパージシステム。
【請求項１２】
前記コントローラは、前記平均パージ電池電圧が、前記平均燃料電池電圧の所定の第２のパーセンテージを超えて上昇した場合、該パージバルブを閉じるために、前記アクチュエータに制御信号を供給するようにさらに結合される、請求項１０に記載のパージシステム。
【請求項１３】
前記所定の第２のパーセンテージは、前記所定の第１のパーセンテージとは異なる、請求項１２に記載のパージシステム。
【請求項１４】
前記所定の第２のパーセンテージは、前記第１のパーセンテージよりも大きい、請求項１２に記載のパージシステム。
【請求項１５】
前記パージ電池部分は、前記スタックにおける残りの燃料電池を通った燃料ストリームが供給された最後の２つの燃料電池を備える、請求項６に記載のパージシステム。
【請求項１６】
前記所定の第１のパーセンテージは、約９０％である、請求項１０に記載のパージシステム。
【請求項１７】
パルスパージシーケンスを用いて燃料電池パージシステムを動作させる方法であって、
燃料電池スタックのパージ条件が存在することを決定する工程と、
パルスパージシーケンスにおいて、パージバルブを動作させる工程であって、
パージ継続時間の間、該バルブを開く工程と、
保持期間の該パージ継続時間の後、該パージバルブを閉じる工程と、
第２のパージ継続時間の間、少なくとも１回該バルブを開閉することを繰返す工程と
を包含する工程と、
任意の後続のパージの前に、パージ間継続時間の間、該バルブを閉じた状態に保つ工程と
を包含する、方法。
【請求項１８】
前記パージ間継続時間は、前記パルスパージシーケンスにおいて、前記少なくとも１つのパージ継続時間および保持期間の各々よりも長い、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１のパージ継続時間は、前記第２のパージ継続時間と同じである、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１のパージ継続時間は、前記第２のパージ継続時間とは異なる、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１および前記第２のパージ継続時間の少なくとも１つを、燃料電池スタック電流に基づいて決定する工程をさらに包含する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記バルブを開閉する工程は、パージ条件が満たされるまで繰返される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
燃料電池スタックのパージ条件が存在することを決定する工程は、
燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧が、該燃料電池スタックの少なくとも一部分にかかる平均燃料電池電圧のパーセンテージを超過するかどうかを決定する工程を包含する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
パージ条件が満たされたかどうかを決定する工程は、
燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ燃料電圧が、前記スタックにおける１つ以上の電池の現在の電圧に基づく所定の閾値電圧を超過するかどうかを決定する工程を包含する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
パージ条件が満たされるかどうかを決定する工程は、
燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧が、該燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池にかかる平均燃料電池電圧のパーセンテージを超過するかどうかを決定する工程を包含する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
燃料電池パージシステムを動作させる方法であって、
燃料電池スタックを通る電流の流れを決定する工程と、
該決定された電流の流れに基づいて、パージ継続時間を決定する工程と、
該燃料電池スタックに結合されたパージバルブを動作させて、該燃料電池スタックから使い果たした反応物ストリームを放出する工程と
該パージバルブが該所定のパージ継続時間の間、開かれた後で、該パージバルブを閉じる工程と
を包含する、方法。
【請求項２７】
前記燃料スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧をモニタリングする工程と、
該燃料電池スタックの少なくとも一部分にかかる平均燃料電池電圧をモニタリングする工程と、
該平均パージ電池電圧が該平均燃料電池電圧の所定のパーセンテージ未満に降下する場合、該パージバルブを開く工程と
をさらに包含する、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
燃料電池パージシステムを動作させる方法であって、
燃料電池スタックのパージ電池部分を形成する、少なくとも１つの燃料電池の性能を示すパラメータをモニタリング工程と、
該燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池の性能を示すパラメータを示すパラメータをモニタリングする工程と、
該モニタリングされたパラメータ間の差に応答してパージバルブを開く工程と
を包含する、方法。
【請求項２９】
前記燃料電池スタックのパージセル部分を形成する、少なくとも１つの燃料電池の性能を示すパラメータをモニタリングする工程は、燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧をモニタリングする工程を包含し、
該燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池の性能を示すパラメータをモニタリングする工程は、該燃料電池スタックの少なくとも一部分にかかる平均燃料電池電圧をモニタリングする工程を包含し、
該平均パージセル電圧が、該平均燃料電池電圧の第１の所定のパーセンテージ未満に降下した場合、該パージバルブが開かれる、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記燃料電池スタックの少なくとも一部分にかかる平均燃料電池電圧をモニタリングする工程は、
該燃料電池スタックにおけるすべての燃料電池にかかる電圧をモニタリングする工程と、
該燃料電池スタックにおけるすべての燃料電池にかかる該電圧を、該燃料電池スタックにおける燃料電池の総数で割る工程と
を包含する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記パージバルブは、前記平均パージ電池電圧が、前記平均燃料電池電圧の９０パーセント未満に降下した場合、該パージバルブが開かれる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
所定のパージ継続時間の後、前記パージバルブを閉じる工程をさらに包含する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記燃料電池スタックを通る電流の流れを決定する工程と、
該決定された電流の流れに基づいて、パージ継続時間を決定する工程と、
該決定されたパージ継続時間の後、該パージバルブを閉じる工程と
をさらに包含する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
前記燃料電池スタックを通る電流の流れを決定する工程と、
電流の流れと前記パージ継続時間との間の所定の比例関係から決定された該電流の流れに基づいて、パージ継続時間を決定する工程と、
該決定されたパージ継続時間の後、該パージバルブを閉じる工程と
をさらに包含する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３５】
前記平均パージ電池電圧が、該平均燃料電池電圧の第２の所定のパーセンテージを超えて上昇した場合、前記パージバルブを閉じる工程をさらに包含する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３６】
前記第２の所定のパーセンテージは、前記第１の所定のパーセンテージとは異なる、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
燃料電池システムを動作させる方法であって、
燃料電池スタックのパージ電池部分に結合されたパージバルブを開いて、該燃料電池システムの動作開始時の開始状態の間のスタートアップ継続時間中、パージ放電し尽くす工程と、
該燃料電池システムの動作終了時の停止状態の間のシャットダウンパージ継続時間中、該パージバルブを開く工程と、
パージ条件が存在する場合、該燃料電池システムの動作中、該開始状態と該停止状態との間のパージサイクル中に決定されたパージ継続時間の間、該パージバルブを開く工程と
を包含する、方法。
【請求項３８】
前記燃料電池スタックを通る電流の流れに基づいて、前記決定されたパージ継続時間を決定する、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記システムにおける燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧が、該燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池にかかる平均燃料電池電圧のパーセンテージを超過する、請求項３７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】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、燃料電池システムの改善された制御システム、およびこのような燃料電池システムを制御する方法が必要とされる。
【０００６】
特定の燃料電池は、一方または両方の反応物に対してデッドエンドモードで動作するように設計される。この状態で、用いられる反応物は、通常、実質的に純粋である。非反応成分の蓄積を周期的に抜くための反応物出口ポートに、通常、パージバルブ（普通、デッドエンドオペレーションで閉じられる）が提供される。従来の燃料電池パージシステムにおいて、パージバルブは、例えば、手動で、または、規則的に固定された時間間隔で開かれる。あるいは、例えば、スタックにおける１つ以上の電池の電圧または電力出力が、予め決定された閾値未満に降下した場合（例えば、英国特許第１２２３９４１号を参照）、または、電力出力の予め決定された低下が起きた場合（例えば、米国特許第３，５５３，０２６号を参照）、または燃料電池が事前選択された数のアンペア時を使い果たした後（米国特許第３，６９７，３２５号）にパージが開始される。燃料電池スタックを通る反応性流路が構成され得、これにより、非反応成分は、最初に、スタックの１つまたはいくつかの燃料電池に蓄積する傾向を示す。本発明は、このようなパージバルブの動作を制御する改善されたシステムおよび方法、ならびに、デッドエンド燃料セルスタックの動作に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（発明の要旨）
第１の局面において、燃料電池スタックのパージシステムは、燃料電池スタックからの流れをレギュレートするパージバルブと、パージがトリガされるべきであると決定された場合（すなわち、パージ条件が存在する場合）、パージバルブを開閉するように結合されたアクチュエータとを備える。この実施形態において、スタックのパージ電池部分における１つ以上の燃料電池の性能を示すパラメータを、スタックにおける１つ以上の電池の性能を示すパラメータと比較することによってパージ条件の存在が決定される。このパージ条件の存在を決定するための比較を用いることによって、パージのトリガリングは、固定した閾値（例えば、スタックの１つ以上の電池の性能の所定の絶対閾値電圧または絶対値の低下）と比較して対処されることのない、燃料電池スタックの動作および性能全体に影響を及ぼす動作および環境の変化を考慮している。例えば、スタックにおける１つ以上の電池の実際の電圧に基づいて、燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる電圧が所定の閾値電圧未満である場合、パージバルブを開くためにアクチュエータが結合され得る。システムは、パージ電池部分にかかる電圧を決定するために、燃料電池スタックのパージ電池部分を形成する、少なくとも１つの燃料電池にわたって結合されたパージ電池電圧センサと、燃料電池にかかる電圧とを決定するために、燃料電池スタックにおける少なくとも２つの燃料電池にわたって結合された燃料電池電圧センサとを備え得る。燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均電圧が、少なくとも２つの燃料電池にわたって測定された閾値電圧の所定の第１のパーセンテージ未満に降下した場合、パージバルブを開くために、アクチュエータに制御信号を供給するためにコントローラが結合され得る。
【０００８】
別の局面において、燃料電池システムは、複数の燃料電池を有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックからのパージ放電をレギュレートするパージバルブと、パージバルブを開閉するように結合されたアクチュエータと、燃料電池スタックパージ条件が存在する場合、パルスパージシーケンスにおいて、パージバルブを開閉するアクチュエータを制御するように結合されたコントローラとを備える。パルスパージシーケンスは、パージ継続時間の間、バルブを開いて、その後、保持時間の間、パージバルブを閉じる工程と、バルブの開閉を少なくとも１回繰り返して、その後、任意の後続パージの前に、パージ間継続時間の間、バルブを閉じた状態に保つ工程とを包含する。パージ間継続時間は、通常、パルスパージシーケンスにおける少なくとも１つのパージ継続時間および保持期間の各々よりも長い。このパルスパージの実施形態において、パージは、パージ条件が存在するかどうかを決定するために、従来の手段か、または上述の方法によって開始され得る。
【０００９】
別の局面において、燃料電池システムは、複数の燃料電池を有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックからのパージ放電をレギュレートするパージバルブと、パージバルブを開閉するように結合されたアクチュエータと、燃料電池スタックのパージ条件が存在する場合、パージバルブを開くためにアクチュエータに制御信号を供給するように結合されたコントローラとを備え、このコントローラは、燃料電池スタックを通る電流の流れに基づいて決定されたパージ継続時間の後、パージバルブを閉じるように構成される。この実施形態において、パージは、パージ条件が存在するかどうかを決定するために、従来の手段か、または、上述の方法によって開始され得る。
【００１０】
上述の局面において、コントローラは、例えば、燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧が、燃料電池スタックの少なくとも一部分にかかる平均燃料電池電圧のパーセンテージを超過するかどうかを決定することによって、スタックパージ条件が存在し、パージが停止されるべきかどうかを決定するように構成され得る。
【００１１】
パルスパージシーケンスを用いて燃料電池パージシステムを動作する方法は、燃料電池スタックパージ条件が存在し、かつ、パルスシーケンスにおいて、パージバルブを動作させることを決定する工程を包含する。このシーケンスは、パージ継続時間のバルブを開いて、その後、保持期間の間、パージを閉じる工程と、バルブの開閉を少なくとも１回繰返して、その後、任意のシーケンスパージの前に、パージ間継続時間の間、バルブを閉じた状態で保つ工程とを包含し得る。このパルスパージ実施形態において、パージは、パージ状態が存在するかどうかを決定するために、従来の手段によってか、または、上述の方法によってトリガされ得る。
【００１２】
燃料電池パージシステムを動作させる別の方法は、スタックのパージ電池部分における１つ以上の燃料電池の性能を示すモニタリングされたパラメータを、スタックにおける１つ以上の他の電池の性能を示すモニタリングされたパラメータと比較する工程を包含する。例えば、この方法は、燃料電池スタックのパージ電池部分にかかる平均パージ電池電圧をモニタリングする工程と、燃料電池スタックの少なくとも一部分にかかる平均燃料電池電圧をモニタリングする工程と、平均パージ電池電圧が平均燃料電池電圧の第１の所定のパーセンテージ未満に降下した場合、パージバルブを開く工程とを包含する。この方法は、平均パージ電池電圧が、第１のパーセンテージと同じか、またはこれと異なる平均燃料電池電圧の第２の所定のパーセンテージを超えて上昇した場合、パージバルブを閉じる工程をさらに包含する。
【００１３】
別の局面において、燃料電池パージシステムを動作させる方法は、燃料電池スタックを通る電流の流れを決定する工程と、所定の電流の流れに基づいて、パージ継続時間を決定する工程と、使い果たされた反応物ストリーム（ｄｅｐｌｅｔｅｄ  ｒｅａｃｔａｎｔ  ｓｔｒｅａｍ）を燃料電池スタックから放出するために、燃料電池スタックから燃料電池スタックに結合されたパージバルブを開く工程と、電流の流れに基づいて、決定されたパージ持続時間の間、パージバルブが開かれた後、パージバルブを閉じる工程とを包含する。この実施形態において、パージ条件が存在するかどうかを決定するために、従来の手段によってか、または、上述の方法によって開始され得る。
【００１４】
さらに別の局面において、燃料電池システムを動作する方法は、燃料電池スタックのパージ電池部分に結合されたパージバルブを開閉して、燃料電池システムの動作開始時の開始状態の間、スタートアップパージ継続時間中にパージ放電し尽くす工程と、燃料電池システムの動作終了時の停止状態の間、シャットダウンパージ継続時間中にパージバルブを開く工程とを包含する。パージバルブは、パージ条件が存在する場合、燃料電池システムの動作の間、開始状態と停止状態との間のパージサイクルの間、決定されたパージ継続時間中に開かれ得る。
【００１５】
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】
【００１６】
（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。
【００１７】
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。
【００１８】
（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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。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３２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】
図示された実施形態は、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で一時的にパージ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の公称電位差が生じるように設計されている。反応物（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、電子モニタリングおよび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か、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。電子モニタリングおよび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が燃料電池モニタリングおよび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、電子モニタリングおよび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。そのような加熱は、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。さらなるソレノイド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２０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が破損または故障を引き起こすことを防ぐために適切に制限される。
【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、コンジット８１を介して蒸発器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の周囲を循環して、燃料を暖める。その後暖められた冷却空気は、蒸発器５８を通過する。ソレノイド等の電力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、燃料電池スタックを外部回路に接続し、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１０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の上部にある燃料電池システム１に、燃料電池スタック１２の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、湿度変換器８１の上流にある空気供給コンジット８１に、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３３０によって燃料電池スタック１２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およびアクチュエーター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、バッテリーパワーイン端子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１２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、Ｉｏｗａ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が供給するトランス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。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、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、冷却空気への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。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。
（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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
運転状態において、燃料および酸化剤は、完全に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。１つ以上の動作パラメータが欠陥領域外にある、とマイクロコントローラ４０が決定する場合、マイクロコントローラ４０は、燃料電池システムを欠陥状態にする。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１２が停止状態にある。燃料電池システム１０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。
【００５１】
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。
【００５２】
機能停止状態において、マイクロコントローラ４０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１０をスタンバイ状態にする。
【００５３】
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１０をスタンバイ状態にする。
【００５４】
図９は、燃料電池システム１０の燃料電池スタック１２をいつパージするのかを決定する例示的な方法１００を示し、ステップ１０２にて開始する。ステップ１０４では、マイクロコントローラ４０は、燃料電池スタック１０にかかる電圧を決定する。マイクロコントローラ４０は、スタック電圧センサＳ３からのスタック電圧計測値を受け取り得る。あるいは、マイクロコントローラ４０は、スタック１２のより数の少ない燃料電池アセンブリ１６にかかる電圧に依存し得る。ステップ１０６において、マイクロコントローラ４０は、燃料電池スタック１０にかかる個々の平均の電池電圧を決定する。マイクロコントローラ４０は、ステップ１０４で決定された燃料電池スタック１０にかかる電圧を燃料電池スタック１２の燃料電池２０の数で割り、個々の平均の電池電圧を決定する。
【００５５】
ステップ１０８において、マイクロコントローラ４０は、パージ電池部分３６にかかる電圧を決定する。マイクロコントローラ４０は、パージ電池電圧センサＳ４から読み出すパージ電池電圧を受取り得る。ステップ１１０において、マイクロコントローラ４０は、パージ電池部分３６にかかる平均の１個の電池電圧を、ステップ１０６において決定された燃料電池スタック１２の平均の電池電圧の所定の、または選択されたパーセンテージと比較する。適切なパーセンテージは、約９０％であり得る。パージ電池部分３６が複数の燃料電池アセンブリ１６を備える場合、マイクロコントローラ４０は、パージ電池部分３６を構成する燃料電池アセンブリにかかる全電圧の平均を決定し得る。従って、マイクロコントローラ４０は、パージ電池部分における燃料電池アセンブリ１６にかかる平均の電池電圧を、燃料電池スタック１２の少なくとも一部分における燃料電池アセンブリ１６にかかる平均電池電圧の所定のパーセンテージと比較する（例えば、平均の電池電圧は、スタック全体、パージ電池部分を含まないスタックの残り、スタックにおける１つ以上の電池の平均の電池電圧であり得る）。スタック１２の他の燃料電池アセンブリ１６にかかる電圧に対する、パージ電池部分３６を構成する１つ以上の燃料電池アセンブリ１６にかかる電圧の著しい降下は、パージ電池部分３６の燃料流路における非反応成分の蓄積を示す。
【００５６】
ステップ１１２において、マイクロコントローラ４０は、ステップ１１４に制御をわたして、パージ電池部分３６における平均の電池電圧が、燃料電池スタック１２の平均の電池電圧の所定のパーセンテージ未満に降下した場合、燃料スタック１２のパージを実行する。パージ電池における平均の電池電圧が、燃料電池スタック１２の平均の電池電圧の所定のパーセンテージ未満でない場合、マイクロコントローラ４０は、ステップ１０４に制御を戻して、電圧のモニタリングを継続する。
【００５７】
組み合わされた図１０Ａおよび図１０Ｂは、ステップ２０２にて開始して、燃料電池スタック１２をパージする例示的方法２００を示す。
【００５８】
選択的ステップ２０４において、マイクロコントローラ４０は、燃料電池スタック１２を通る電流を決定する。マイクロコントローラ４０は、燃料スタック電流センサＳ２からの瞬間的スタック電流測定値を受け取り得る。選択的ステップ２０６において、マイクロコントローラ４０は、決定された瞬間的な全スタック電流に基づいて、パージ継続時間を決定し得る。マイクロコントローラ４０は、例えば、永続的メモリ４２に格納されたルックアップテーブルに依存し得るか、または、経験的に導出された式に基づいてパージ継続時間を計算し得る。図示されたシステム１０に関する、好適な、経験的に導出された関係は、２つの短いパージを含む「パルスパージ」を用い、パージ継続時間Ｔ１の各々は、第１のパージと第２のパージとの間の閉じられた（「保持」）期間（例えば、０．５秒）である。さらに、この好適な、例示的に導出された関係は、別のパージシーケンスが許可される前に、第２のパージに続くパージ間継続時間Ｔ２を用いる（Ｔ２は、保持期間よりも大きい）。Ｔ１およびＴ２は、０ａｍｐｓ〜５５ａｍｐｓの間の平均スタック電流の線形関数であり得る。０ａｍｐｓの平均スタック電流で、Ｔ１は、約０．５秒と等しく、Ｔ２は、約６秒と等しい。５５ａｍｐｓ以上の平均スタック電流では、Ｔ１は、約１．５秒と等しく、Ｔ２は、約２．５秒と等しい。
【００５９】
あるいは、マイクロコントローラ４０は、所定のパージ持続時間を用い得、これは、燃料電池システム１０の構造および動作を簡易化し得るが、パージは、パージ持続時間が、測定されたスタック電流に基づくパージのように効果的であり得ない。この代替的実施形態において、マイクロコントローラ４０は、長さが変動し得る１つ以上の所定のパージ継続時間に依存し得る。
【００６０】
あるいは、または、さらに、マイクロコントローラ４０は、所定のパージ継続時間と、平均スタック電流測定値に基づいて決定されたパージ継続時間との長い方を用いる。これは、少なくとも最小のパージ継続時間でパージを実行することを可能にする。
【００６１】
さらなる代替的実施形態において、マイクロコントローラ４０は、パージ電池部分３６にかかる平均の電池電圧および燃料電池スタック１２にかかる平均電池電圧をモニタリングし得、パージ電池部分３６にかかる平均電池電圧が燃料電池スタック１２の平均電池電圧の所定のパーセンテージを超過した場合、パージバルブ７０を閉じる。所定のパーセンテージは、パージ開始条件として用いられるパーセンテージと同じであり得るか、または、これと異なり得る。この代替的実施形態は、パージ継続時間が許容可能な改善を達成するために必要とされる継続時間に制限されることを可能にする。最大パージ継続時間は、定義され得、これにより、パージ電池部分３６にかかる平均電池電圧が、最大パージ継続時間の間、燃料電池スタック１２の平均電池電圧の所定のパーセンテージを超過しなかった場合、パージバルブは閉じられ、適宜、他の制御ステップが開始される。
【００６２】
パージトリガリング条件および／またはパージ継続時間の決定において、スタックの平均電池電圧の閾値パーセンテージを用いることは、燃料電池システム１０が、燃料電池システムの動作および性能全体に影響を及ぼし、かつ、所定の絶対値閾値電圧等の固定値が適応しない、動作および環境の変化に適応することを保証する。
【００６３】
燃料電池システム１０は、さらに、種々の動作状態の間、異なった所定のパージ継続時間を用い得、燃料電池システム１０要件に、パージをより正確に整合させ得る。例えば、燃料電池セル１０は、開始状態で動作する間、スタートアップパージ継続時間を、および、停止状態で動作する間、シャットダウンパージ継続時間を用い得る。さらに、燃料電池システム１０は、スタック電流に基づいてか、または、走行状態および／または警戒状態の間、異なった所定のパージ継続時間を用いてパージ継続時間を計算し得る。
【００６４】
さらに、燃料電池システム１０は、蘇生サイクルの間の燃料電池スタック１２をパージする間、蘇生パージ継続時間を用い得る。同一人に譲渡された、「ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＲＥＳＵＳＣＩＴＡＴＩＯＮ  ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ」と称される、米国特許出願シリアル番号第０９／      （アトーニードケット番号第１３０１０９．４０８号）に詳細に記載されるように、蘇生は、燃料電池スタック１２を通る酸化剤の流速が、特定の状況において、燃料電池スタック１２の性能を改善し得る蘇生継続時間の間、一時的に増加する手順である。
【００６５】
ステップ２０８において、マイクロコントローラ４０は、タイマーをリセットし、ステップ２１０においてタイマーを開始させる。ステップ２１２において、マイクロコントローラ４０は、パージバルブ７０を開くために、信号をパージバルブコントローラＣＳ４に送る。
【００６６】
ステップ２１４において、マイクロコントローラ４０は、タイマーがパージ継続時間Ｔ１と等しいか、または、これよりも大きくない場合、第１の待ちループ２１６を実行する。ステップ２１４において、マイクロコントローラ４０は、タイマーがパージ継続時間Ｔ１と等しいか、または、これよりも大きい場合、ステップ２１８に制御をわたす。
【００６７】
ステップ２１８において、マイクロコントローラ４０は、パージバルブコントローラＣＳ４に信号を送信して、パージバルブ７０を閉じる。
【００６８】
ステップ２２０において、マイクロコントローラ４０は、パージバルブ７０の連続的にパルスを開く間の保持機関の間、タイマーをリセットして、ステップ２２２においてタイマーをスタートさせる。上述の実施形態の適切な保持期間は、約０．５秒である。ステップ２２４において、タイマーが、保持期間よりも大きくない場合、マイクロコントローラ４０は、第２の待ちループ２２６を実行する。ステップ２２０において、マイクロコントローラ４０は、タイマーが、保持期間よりも大きいか、またはこれと等しい場合、ステップ２２８に制御をわたす。
【００６９】
ステップ２２８において、マイクロコントローラは、パージ継続時間Ｔ１の第２のパージパルスの間、タイマーをリセットして、ステップ２３０においてタイマーをスタートさせる。ステップ２３２において、マイクロコントローラ４０は、パージバルブコントローラＣＳ４に信号を送信して、パージバルブ７０を開く。ステップ２３４において、マイクロコントローラ４０は、タイマーがパージ継続時間Ｔ１と等しくも大きくもない場合、第３の待ちループ２３６を実行する。ステップ２３４において、マイクロコントローラは、タイマーが、パージ継続時間Ｔ１と等しいか、またはこれよりも大きい場合、ステップ２３８に制御をわたす。ステップ２３８において、マイクロコントローラ４０は、パージバルブコントローラＣＳ４に信号を送信して、パージバルブ７０を閉じる。
【００７０】
この実施形態において、燃料電池システムは、「パルス」パージを用い、２つの別個の場合、すなわち、パージ継続時間Ｔ１の各々にてパージバルブ７０を開く。出願人は、２つ以上のパルス間の短い遅延をともなう、パージバルブ７０のこのようなパルス開放を用いて、より良好な結果が達成され得ることを経験的に決定した。これは、本発明を必ずしも限定せず、かつ、このような本発明がパージバルブ７０の１回の開放、２つの連続的開放、または、パージバルブ７０の２回以上の連続的開放をカバーし得ることが要求される。さらに、単一パルスパージ内の連続的開放は、等しい継続時間Ｔ１の間、または、異なった継続時間の間であり得る。
【００７１】
ステップ２４０において、マイクロコントローラ４０は、パージ間継続時間Ｔ２に入る間、タイマーをリセットして、ステップ２４２においてタイマーをスタートさせる。上述のように、パージ間継続時間Ｔ２は、燃料セルスタック１２のパージ完了直後に続く時間であり、この時間の間、マイクロコントローラ４０は、パージバルブ７０を開かない（蘇生条件等の特定の条件に応答するいくつかの場合を除く）。上述の実施形態について、適切なパージ間期間Ｔ２は、約２．５〜６秒の間である。
【００７２】
代替的なさらなるステップ２４４において、同一人に譲渡された、「ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＲＥＳＵＳＣＩＴＡＴＩＯＮ  ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＲＡＴＵＳ」と称される米国特許出願シリアル番号第０９／    （アトーニードケット番号第１３０１０９．４０８号）に記載された燃料電池蘇生チェックと同様に、マイクロコントローラ４０は、燃料電池のペアにかかる電圧をチェックする。燃料電池アセンブリ１６の任意のペアにかかる電圧が電池のペアの閾値電圧未満である場合、マイクロコントローラ４０は、ステップ２５０においてパージ法２００を終了して蘇生サイクルに入る。燃料電池アセンブリ１６の任意のペアにかかる電圧が、電池のペアの閾値電圧未満でない場合、マイクロコントローラ４０は、ステップ２５２においてパージバルブ７０が開くことを防止し、タイマーがステップ２５４におけるパージ間継続時間と等しいか、これよりも大きいかを決定する。タイマーが、パージ間継続時間Ｔ２と等しくもなく、これよりも大きくもない場合、マイクロコントローラ４０は、第４の待ちループ２５６を実行する。そうでない場合、マイクロコントローラ４０は、ステップ２５０においてパージ法２００を終了する。本明細書中に記載されたパージ技術および装置は、さらに、デッドエンドされ、実質的に純粋な酸化剤ストリームに対して動作する燃料電池システムに適用可能であってもよいし、非反応成分の蓄積を周期的に抜く間、酸化剤チャネルと関連するパージバルブを有してもよい。
【００７３】
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。
【００７４】
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０９／９１６，１１５号は、ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＡＮＯＭＡＬＹ  ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ  ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ（Ａｔｔｙ．Ｄｏｃｋｅｔ  Ｎｏ．１３０１０９．４０６）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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【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】燃料電池システムをモニタリングし、かつ、燃料電池スタックをいつパージするかを決定するための動作方法を示すフローチャートである。
【図１０Ａ】図１０Ａは、パージ継続時間の間、燃料電池スタックをパージする方法を示す燃料電池システムの動作方法に関する図１０Ｂと組み合わされたフローチャートである。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、パージ継続時間の間、燃料電池スタックをパージする方法を示す燃料電池システムの動作方法に関する図１０Ａと組み合わされたフローチャートである。
【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１０Ｂ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004536438.tif 000055
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004536438.tif 000056
2004536438.tif 000057
【国際調査報告】
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2004536438.tif 000059
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