(57)【要約】燃料電池システムは、燃料の通路および酸化剤の通路を有する燃料スタックを形成する燃料電池を含む。パージバルブは、汚染物を排出する燃料の通路に接続され、コントローラは、パージバルブに接続されて、燃料電池の対にかかる電圧が規定された閾値電圧よりも低い場合に、酸化剤の通路を介する酸化剤流の流速を一時的に増加させ、かつ燃料パージバルブを一時的に開く。この蘇生ステップにおいて、酸化剤流の速度は、約５秒から１０秒の間の期間に、約５０％まで空気圧縮器のデューティサイクルを増加させることによって一時的に増加し得る。蘇生ステップの直後の内部蘇生期間に、燃料電池の対にかかる電圧が規定された閾値電圧よりも低い場合、燃料電池動作をさらにシャットダウンし得る。
2004536436.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、該複数の燃料電池を介して燃料流を導くための燃料の通路、および該複数の燃料電池を介して酸化剤流を導くための酸化剤の通路を備える、燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの少なくとも１つの燃料電池のパフォーマンスが規定された閾値の値より下に低下した場合、蘇生期間に、該各酸化剤の通路または燃料の通路を介する該酸化剤または燃料反応物流の流速の少なくとも一方を一時的に増加させるように構成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２】
前記コントローラは、前記燃料電池スタックの少なくとも１つの燃料電池のパフォーマンスが規定された閾値の値より下に低下した場合、蘇生期間に、前記酸化剤の通路を介する前記酸化剤流の流速を一時的に増加させるように構成された、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料の通路に接続されたパージバルブをさらに備え、前記コントローラは、該パージバルブに接続され、かつ前記燃料電池スタックの少なくとも１つの燃料電池のパフォーマンスが前記規定された閾値の値より下に低下した場合、パージ期間に、該パージ部バルブを開くように構成された、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックの燃料電池の少なくとも１つの対にかかる電圧をモニタリングするセンサをさらに備え、前記コントローラは、燃料電池のモニタリングされる対にかかる該電池電圧が閾値電圧よりも小さくなる場合、前記パージ期間には、前記パージバルブを開き、前記蘇生期間には、該燃料電池スタックの前記酸化剤の通路を介して前記酸化剤流の流速を増加させるように構成された、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記酸化剤の通路を介して酸化剤の空気を送達し、該酸化剤の通路により制御するために前記コントローラに接続された該酸化剤の通路と流動的につながる空気圧縮器
をさらに備える、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記コントローラは、前記パージバルブが開いている間に、前記空気流の速度を増加させるように構成された、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸化剤の通路を介して酸化剤の空気を送達し、該酸化剤の通路により制御するために前記コントローラに接続された該酸化剤の通路と流動的につながる空気圧縮器であって、該コントローラは、約５０パーセントまで前記空気圧縮器のデューティサイクルを増加させることによって、該酸化物流の流速を一時的に増大させるように構成された、空気圧縮器
をさらに備える、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記酸化剤の通路を介して酸化剤の空気を送達し、該酸化剤の通路により制御するために前記コントローラに接続された該酸化剤の通路と流動的につながる空気圧縮器であって、該コントローラは、約５秒の蘇生期間に、約５０パーセントまで該空気圧縮器のデューティサイクルを増加させることによって、該酸化物空気流を一時的に増加させるように構成された、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記コントローラは、前記蘇生期間の直後の内部蘇生期間に、前記反応物流の流速を回復し、かつ該内部蘇生期間に、前記燃料電池スタックの少なくとも１つの燃料電池のパフォーマンスが規定された閾値の値より下である場合、燃料電池動作をシャットダウンするようにさらに構成された、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記パージ期間および前記蘇生期間は同じであり、前記コントローラは、該パージ期間の直後の内部蘇生期間に、前記パージバルブを閉じ、かつ内部蘇生期間に、前記燃料電池スタックの少なくとも１つの燃料電池が規定された閾値電圧より低くなる場合に、燃料電池動作をシャットダウンするように構成される、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池アセンブリとともに利用する蘇生システムであって、
燃料電池スタックの燃料の通路に接続可能なパージバルブと、
該燃料電池スタックを介した酸化物流の流れを提供する、該燃料電池スタックの酸化剤の通路に接続可能な酸化剤流デバイスと、
該パージバルブおよび該酸化剤流デバイスに接続され、かつ該燃料電池スタックの少なくとも１つの燃料電池のパフォーマンスが規定された閾値の値より下になる場合、パージ期間には、該パージバルブを開き、蘇生期間には、該スタックを介した該酸化剤流デバイスのソースからの該酸化剤流の流速を増加させるように構成された、コントローラと
を備える、蘇生システム。
【請求項１２】
前記燃料電池スタックの燃料電池の少なくとも１つの対にかかる電圧をモニタリングするセンサをさらに備え、前記コントローラは、燃料電池のモニタリングされる対にかかる該電池電圧が規定された閾値電圧より小さくなる場合、パージ期間には、前記パージバルブを開き、蘇生期間には、該スタックを介した酸化剤流の流速を増加させるように構成された、請求項１１に記載の蘇生システム。
【請求項１３】
前記酸化剤流デバイスは、制御するために前記コントローラに接続された該空気圧縮器を備える、請求項１２に記載の蘇生システム。
【請求項１４】
前記コントローラは、前記バルブが開いている間に、前記酸化物の流速を増加させるように構成される、請求項１２に記載の蘇生システム。
【請求項１５】
前記酸化物流デバイスは、空気圧縮器を備え、前記コントローラは、約５０パーセントまで該空気圧縮器のデューティサイクルを増加させることによって、空気流の速度を増加させるように構成された、請求項１２に記載の蘇生システム。
【請求項１６】
前記酸化剤流デバイスは、空気圧縮器を備え、前記コントローラは、約５秒の蘇生期間に、約５０パーセントまで空気圧縮器のデューティサイクルを増加させることによって、空気流の速度を増加させる、請求項１２に記載の蘇生システム。
【請求項１７】
前記コントローラは、前記パージ期間の直後の内部蘇生期間に、前記パージバルブを閉じるようにさらに構成された、請求項１２に記載の蘇生システム。
【請求項１８】
前記コントローラは、前記パージ期間の直後の内部蘇生期間に、前記パージバルブを閉じ、かつ該内部蘇生期間に、前記燃料電池スタックの少なくとも１つの燃料電池のパフォーマンスが規定された閾値の値より下になる場合、燃料電池動作をシャットダウンするようにさらに構成された、請求項１２に記載の蘇生システム。
【請求項１９】
燃料電池システムを動作させる方法であって、
（ａ）燃料電池スタックの少なくとも１つの燃料電池のパフォーマンスを示すパラメータをモニタリングするステップと、
（ｂ）該少なくとも１つの燃料電池のパフォーマンスが規定された閾値パフォーマンス値より下になる場合、該燃料電池スタックの反応物の通路を通る少なくとも１つの反応物流の流速を一時的に増加させるステップと
を包含する、方法。
【請求項２０】
前記反応物流は、酸化剤流である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記酸化剤流の流速は、前記モニタリングされるパラメータの値が規定された範囲外にある場合に、一時的に増加する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記ステップ（ｂ）は、前記酸化剤の化学量論を一時的に増加させるステップを包含する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
（ｃ）少なくとも１つの燃料電池のパフォーマンスが前記規定された閾値パフォーマンスの値より下である場合、前記燃料電池スタックの燃料の通路を介して燃料流の流速を増加させるステップ
をさらに包含する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記ステップ（ａ）において、前記燃料電池スタックの燃料電池の対にかかる前記電圧がモニタリングされ、前記ステップ（ｂ）および（ｃ）において、該燃料電池スタックの燃料電池の少なくとも１つの対にかかる該電圧が規定された閾値電圧よりも低い場合に、前記燃料および酸化剤流の流速が増加する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記燃料電池スタックの酸化剤の通路を介して前記酸化剤流の流速を増加させるステップは、約５０パーセントまで該酸化剤の通路に接続された空気圧縮器のデューティサイクルを増加させるステップを包含する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記燃料電池スタックの酸化剤の通路を介して前記酸化剤流の流速を増加させるステップは、約５秒の蘇生期間に、約５０パーセントまで該酸化剤の通路に接続された空気圧縮器のデューティサイクルを増加させるステップを包含する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
（ｃ）前記燃料電池スタックの少なくとも１つの燃料電池にかかる前記電圧が規定された閾値電圧よりも低くなる場合、パージ期間に、該燃料電池スタックの燃料の通路に接続されたパージバルブを開くステップ
をさらに包含する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２８】
前記パージ期間の直後の内部蘇生期間に、燃料電池の少なくとも１つの対にかかる電圧が規定された閾値電圧よりも低くなる場合、燃料電池動作を停止するステップ
をさらに包含する、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記燃料電池スタックの酸化剤の通路を介して前記酸化剤流の流速を増加させるステップは、前記パージバルブが開いている間に前記酸化剤の通路に接続された空気圧縮器のデューティサイクルを増加させるステップを包含する、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記ステップ（ｂ）において、前記酸化剤流の流速が、蘇生期間の間に増加し、前記方法は、該蘇生期間の直後の規定された内部蘇生期間の間に、前記少なくとも１つの燃料電池のパフォーマンスが規定された閾値パフォーマンスの値より下になる場合、燃料電池動作をシャットダウンするステップをさらに包含する、請求項２０に記載の方法。
【請求項３１】
（ｃ）前記少なくとも１つの燃料電池のパフォーマンスが規定された閾値パフォーマンスの値よりも下になる場合、パージ期間に、前記燃料電池スタックの燃料の通路に接続されたパージバルブを開くステップと、
（ｄ）該パージ期間の直後の内部蘇生期間に、該パージバルブを閉じるステップと、
（ｅ）該内部蘇生期間に、少なくとも１つの燃料電池の電圧が前記規定された閾値電圧より低くなる場合、燃料電池動作をシャットダウンするステップと
をさらに包含する、請求項２０に記載の方法。
【請求項３２】
（ｃ）において、前記燃料電池スタックの燃料電池の少なくとも１つの対にかかる前記電圧が規定された閾値電圧よりも低くなる場合、前記パージバルブが開く、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
燃料電池システムを動作させる方法であって、
燃料電池スタックへ該燃料電池スタックの燃料の通路を介して燃料を供給するステップと、
該燃料電池スタックの電力出力に対応する公称空気流の速度で該燃料電池スタックの酸化剤の通路を介して酸化剤流を導くステップと、
該スタックの電力出力が規定された閾値より下にある場合、該酸化剤の空気流の速度を該公称空気流の速度より上に断続的かつ一時的に増加させるステップと
を包含する、方法。
【請求項３４】
前記スタックの電力出力が規定された閾値より下にある場合、前記酸化剤の空気流の速度を前記公称空気流の速度より上に断続的かつ一時的に増加させるステップは、該酸化剤の化学量論を断続的かつ一時的に増加させるステップを包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記燃料電池スタックから少なくともいくらかの水をパージするために、前記燃料の通路に接続されたパージバルブを断続的に開くステップ
をさらに包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記酸化剤の空気流の速度が、周期的な一定の間隔で増加する、請求項３３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パフォーマンスのため、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、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】
（発明の要旨）
燃料電池システムの制御および動作システム、ならびにそのような燃料電池システムを制御および動作する方法を、特にパフォーマンスの低下している場所において改良する必要がある。そのようなシステムおよび方法は、例えば、より低い燃料電池スタックのパフォーマンスを検出し、かつパフォーマンスを改良する試みとして燃料電池スタックへの反応物の流れを一時的に調節し、ならびに／あるいはそのような試みが失敗した場合に燃料電池スタックの動作をシャットダウンすることによって応答し得る。
【０００６】
ある局面では、燃料電池システムは、燃料の通路および酸化剤の通路を有する燃料電池スタックを形成する燃料電池、ならびに燃料電池スタックのパフォーマンスの低下を示すパラメータに応答し、および／またはスタックの動作中に固定された時間間隔で、燃料電池スタックの各反応物の通路を介して酸化剤または燃料の少なくとも一方の反応物流の流速を一時的に増加させるために接続されるコントローラを備える。反応物流の流速の一時的な増加は、好ましくは、反応物の化学量論の一時的な増加をもたらす。燃料電池スタックのパフォーマンスを示すパラメータは、スタックの１つ以上の燃料電池にかかる電圧であり得る。例えば、スタックに酸化剤の空気を送達するための空気圧縮器を有する燃料電池システムにおいて、空気流は、燃料電池の任意の対にかかる電圧が規定された閾値電圧よりも低い場合、約５秒から１０秒の蘇生期間に、約５０％まで空気圧縮器のデューティサイクルを増加させることによって増加し得る。一旦、反応物流の流速が一時的な増加の後に減少すると、パフォーマンスを示すパラメータが不十分なパフォーマンスの回復を示す場合、コントローラは、燃料電池動作をシャットダウンするために接続され得る。例えば、反応物流の流速の一時的な増加の後の規定された内部蘇生期間に、燃料電池の対にかかる電圧が閾値電圧よりも低い場合、コントローラは、燃料電池動作をシャットダウンするために接続され得る。スタックの動作中に固定された時間間隔で反応物流の流速を一時的に増加させることに対して、これは、燃料電池のパフォーマンスを示す任意のパラメータと独立してなされ得るが、酸化剤流の流速を増加させることは、例えば、スタックの電力出力またはスタックの電気的負荷が閾値の値より下に低下する場合、低電力での動作期間中に、パフォーマンスを改良するために特に効果的である。
【０００７】
燃料電池が、燃料の通路が行き止まり（ｄｅａｄ−ｅｎｄｅｄ）である状態で実質的に純粋な燃料流上で動作するように構成されるが、燃料の通路から汚染物を周期的に排出するパージバルブに接続される実施形態において、コントローラは、パージバルブに接続され得、かつ上述の燃料電池スタックの酸化剤の通路を介する酸化剤流の流速をコントローラが増加させると同時に、パージ期間にパージバルブを開くように構成され得る。コントローラは、酸化剤流の流速を同時に増加させることなく、他の条件下においても、パージバルブを開き得る。ある特定の実施形態において、燃料電池アセンブリと共に利用する蘇生システムは、燃料電池スタックの燃料の通路から汚染物を排出するように接続されたパージバルブ、燃料電池スタックを介して空気流を提供するように接続された空気流ソース、ならびにパージバルブに接続されたコントローラであって、隣接する燃料電池の対にかかる電圧が規定された閾値電圧よりも低い場合、パージ期間にパージバルブを開き、かつ空気流ソースからの空気流を増加させるように構成されたコントローラを備える。
【０００８】
さらなる局面において、燃料電池システムを動作させる方法は、燃料電池スタックのパフォーマンスの低下を示すパラメータに応答して、蘇生期間に、燃料電池スタックの各反応物の通路を介する酸化剤または燃料の少なくとも一方の反応物流の流速を一時的に増加させるステップを包含する。この方法は、燃料電池のパフォーマンスを示すパラメータをモニタリングするステップ、およびそのパラメータを閾値の値と比較するステップを包含する。例えば、この方法は、燃料電池の対にかかる電圧をモニタリングするステップ、モニタリングされた電圧が規定された閾値電圧よりも低いかどうかを判定するステップを包含し得る。閾値は、例えば実際の瞬間平均のスタック電圧に関連する、規定された絶対値であってもよいし、または可変基準値であってもよい。この方法は、一時的な増加の後に、一旦、反応物流の流速が低下する規定された内部蘇生期間に、パフォーマンスを示すパラメータが不十分なパフォーマンスの回復を示す場合、燃料電池動作をシャットダウンするステップをさらに包含し得る。
【０００９】
さらなる局面において、燃料電池システムを動作させる方法は、スタックの動作中に、規定された時間間隔で、燃料電池スタックの各反応物の通路を介する酸化剤または燃料の少なくとも一方の反応物流の流速を一時的に増加させるステップを包含する。この方法のこの局面は、特に酸化剤側において、低電力での動作期間中のパフォーマンスを改良することに対して、特に効果的である。例えば、この方法は、スタックの電力出力またはスタック上の電気的負荷をモニタリングするステップ、ならびに電力出力または電気的負荷が閾値の値よりも下に低下した場合に、固定された時間間隔で酸化剤流の流速を一時的に増加させるステップを包含し得る。
【００１０】
酸化剤流の流速を調節するステップを包含する燃料電池システムを動作させる上記の方法は、組み合わせて実行され得、かつ、上述の酸化剤流の流速を増加させると同時に、パージ期間に燃料電池スタックの燃料の通路に接続されたパージバルブを開くステップを包含し得る。
【００１１】
さらに別の局面では、コンピュータ読み出し可能媒体は、燃料電池のパフォーマンスを示すパラメータが規定された閾値の値よりも低いかどうかを判定し、かつ燃料電池スタックの反応物の通路を介する反応物流の流速を一時的に増加させ、さらにいくらかの局面では、パラメータが規定された閾値の値よりも低い場合、パージ期間に燃料電池スタックの燃料パージバルブを同時に開くことによって、燃料電池システムの動作をプロセッサに制御させる命令を含む。
【００１２】
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】
【００１３】
（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。
【００１４】
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。
【００１５】
（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。
【００１６】
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。
【００１７】
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にも適用され得る。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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ない数の燃料電池アセンブリを含んでもよい。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、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。電子モニタリングおよび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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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）。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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のパフォーマンスを低減させる。パージセル電圧センサＳ４が、閾値電圧レベルよりパフォーマンス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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。ソレノイドのような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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、長さ方向に沿って燃料電池システム１０に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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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  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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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のパフォーマンスをモニタリングし、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。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機能停止の範囲外にあることを決定した場合、マイクロコントローラ４０は、燃料電池システムを機能停止状態にする。機能停止範囲外にない場合、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１２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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
図９Ａおよび図９Ｂは、１つ以上の燃料電池アセンブリ１６のパフォーマンスが閾値より下に低下した後に、１つ以上の燃料電池アセンブリ１６のパフォーマンスを改良する例示的な蘇生方法１００を示す。このようなパフォーマンスの降下は、特に、例えば、燃料電池の１つ以上の反応物チャンネルが浸水している場合、各燃料電池アセンブリ１６の電極触媒に到達する反応物の量が不十分であることの結果であり得る。この方法は、ステップ１０２でスタートする。ステップ１０４において、マイクロプセセッサ４０は、燃料電池アセンブリ１６の対にかかる電圧をチェックする。マイクロプロセッサ４０は、電池電圧チェッカーＳ９のデジタル出力に依存し得る。例えば、電池電圧チェッカーＳ９の出力が「０」またはＬＯＷである場合、マイクロプロセッサ４０は、燃料電池アセンブリ１６の少なくとも１つの対にかかる電圧が閾値電圧より下であることを決定する。
【００５３】
任意の回路が、１つ以上の燃料電池アセンブリ１６にかかる電圧が適切であることを決定する一方で、共通して付与された「ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＡＮＯＭＡＬＹ  ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ  ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ」と称する米国特許第０９／号に開示され、かつ本明細書と同じ出願日である（Ａｔｔｙ．Ｄｏｃｋｅｔ第１３０１０９．４０６）電池電圧チェッカーＳ９は、開示される燃料電池システム１０に特に適している。適切な閾値電圧は、燃料電池アセンブリ１６の対に対して約０．８Ｖから０．８５Ｖの間にあり得る。燃料電池アセンブリ１６において、対の各燃料電池アセンブリ１６は、公称上、アノード２２とカソード２４との間に約０．６Ｖの電圧を生成する。
【００５４】
ステップ１０６において、燃料電池アセンブリ１６の対にかかる電圧が閾値電圧よりも低くない場合、マイクロプロセッサ４０は、ステップ１０８に制御を進め、第１の待ちループを実行する。燃料電池アセンブリ１６の対にかかる電圧が閾値電圧より低い場合、マイクロプロセッサ４０は、ステップ１１０に制御を進める。
【００５５】
ステップ１１０において、マイクロプロセッサ４０は、タイマーをリセットする。燃料電池モニタリングおよび制御システム１４は、１つ以上のタイマーを利用し得、１つ以上のタイマーは、マイクロプロセッサ４０に一体化されてもよいし、または別々のコンポーネントであってもよい。ステップ１１２において、マイクロプロセッサ４０は、タイマーを開始する。ステップ１１４において、マイクロコントローラ４０は、適切な信号をパージバルブコントローラＣＳ４に送信して、パージバルブ７０を開き、パージバルブ７０は、パージセル部分３６に燃料を運ぶ反応物チャンネル３０に接続される。ステップ１１６において、マイクロコントローラ４０は、信号を空気圧縮器コントローラＣＳ１に提供して、空気圧縮器７８のデューティサイクルを増加させ、空気流を増加させる。デューティサイクルの適切な増加は、標準的な動作デューティサイクルの５０％オーバーであってもよい。適切なパージおよび蘇生期間は、約５秒から１０秒の間であってもよい。
【００５６】
マイクロコントローラ４０のパフォーマンスの損失の原因が、パージセル部分３６の不純物の蓄積によることを決定する特定の状況においては、マイクロコントローラ４０のみが、燃料電池スタック１２を流れる空気流の速度を増加させることなく、燃料パージバルブ７０を開くことができる。別の実施形態では、マイクロコントローラ４０のみが、パージバルブ７０を開くことなく、燃料電池スタック１２を通る空気流の速度を増加させる。ここで、マイクロコントローラ４０は、パフォーマンスの損失の原因が、燃料電池アセンブリ１６の電極触媒に対する空気の提供が不十分であることによることを決定する。
【００５７】
ステップ１１８において、マイクロコントローラ４０は、タイマー読み出しがパージ期間に等しい、またはそれよりも長いかどうかを判定する。マイクロコントローラ４０は、タイマー読み出しがパージ期間よりも長くも等しくもない場合に、ステップ１２０へ制御を進め、第２の待ちループを実行する。マイクロコントローラ４０は、タイマー読み出しがパージ期間よりも長いか、または等しい場合に、ステップ１２２へ制御を進める。
【００５８】
ステップ１２２において、マイクロコントローラ４０は、適切な信号を空気圧縮器コントローラＣＳ１に送信して、空気圧縮器７８のデューティサイクルを低下させ、空気流を減少させる。ステップ１２４において、マイクロコントローラ４０は、適切な信号をパージバルブコントローラＣＳ４に送信して、パージバルブ７０を閉じ、蘇生手続きを終了する。
【００５９】
ステップ１２６において、マイクロコントローラ４０は、内部蘇生手続きのための準備の際に、タイマーをリセットする。内部蘇生期間は、規定された期間であり、蘇生ステップの適用の直後である。蘇生ステップの間、蘇生によるパフォーマンスの回復の連続的試みが阻止される。適切な内部蘇生期間は、約２０秒であってもよい。ステップ１２８において、マイクロコントローラ４０は、タイマーを開始する。
【００６０】
ステップ１３０において、マイクロプロセッサ４０は、ステップ１０４と同様の形式で、燃料電池対にかかる電圧をチェックする。ステップ１３２において、マイクロコントローラ４０は、ステップ１３４に制御を進め、機能停止状態に入り、内部蘇生期間において燃料電池の対にかかる電圧が閾値電圧よりも低い場合に（閾値電圧は、ステップ１０６において利用された閾値電圧と同じであってもよいし、異なっていてもよい）、燃料電池スタック１２の動作を停止させ、ステップ１３６の蘇生方法１００を終了する。この状況は、再スタート可能なエラーを構成し、そのため、マイクロプロセッサ４０は、非再スタート可能な状態フラグをセットしない。燃料電池アセンブリ１６の対にかかる電圧がステップ１３２の閾値電圧よりも低くない場合、マイクロプロセッサ４０は、ステップ１３８に制御を進める。
【００６１】
ステップ１３８において、マイクロプロセッサ４０は、タイマー読み出しが内部蘇生期間に等しいか、またはそれよりも長いかどうかを判定する。マイクロプロセッサ４０は、タイマー読み出しが内部蘇生期間に等しいか、または長い場合に、ステップ１３６に制御を進める。マイクロプロセッサ４０は、タイマー読み出しが内部蘇生期間よりも長くも等しくもない場合に、ステップ１４０に制御を進め、第３の待ちループを実行する。内部蘇生期間が完了した後に、マイクロコントローラは、前回の状態に戻り、かつ必要とされる時に、さらなる蘇生ステップを実行し得る。
【００６２】
上述の蘇生方法は、様々な電力出力または負荷設定において動作可能な燃料電池システムにおいて実行され得る。燃料電池システム１０は、少数の低電力電気デバイスが燃料電池システムに接続され、かつそこから電力を引き出す時、あるいは燃料電池システムがアイドリング中であるときに、例えば、図示されるシステム１０については１５Ａより下の「低負荷」で動作可能であり得る。低負荷で動作している時、所望の化学量論（通常は約２．０）を維持するために必要とされる酸化剤空気流速度は、カソードにおける水の堆積を除去するために不十分であってもよく、最終的に、システム１０の１つ以上の燃料電池アセンブリのカソードの浸水が発生し得る。低負荷動作の間のカソードの浸水と関連する問題を防止する、または少なくとも低減するために、蘇生方法は、低負荷動作のための水の管理ストラテジーの一部として断続的な間隔で適用され得る。これに関連して、燃料電池システムが低負荷条件（例えば、閾値電力出力より下）の下に動作している時、酸化剤空気流速度は、カソードにおける過剰の水を除去するために断続的かつ一時的に増加し得（通常、公称値より上の化学量論を増加させる）、選択的に燃料パージバルブ（存在する場合）は、断続的かつ一時的に開かれ得る。このように、この蘇生方法は、電力出力が閾値レベルより下にある時、かつ電力電圧チェッカーＳ９が燃料電池対が電圧閾値より下に低下していることを検出するときはいつでも、規定された時間間隔で実行され得る。この閾値は、カソードの浸水を被る燃料電池対の電圧に対応し得る。
【００６３】
時間蘇生ステップの間の適切な間隔、および蘇生ステップの適切な期間を決定するテストが、燃料電池スタック１２上で実行された。適切な周波数を決定するために、マイクロコントローラ４０は、モニタリングされる電池対の電池電圧がスタックの電池対の平均電圧の７５％より下に低下した時はいつでも、蘇生ステップをトリガーするようにプログラムされた。蘇生ステップ間の最小、最大、および平均時間が、計測された。テストは、１Ａから１５Ａの間の負荷に対して処理された。公称空気流の速度は、２．０の化学量論を提供するように、特定の燃料電池システム１０の空気圧縮器により生成され得る最小空気流速度を反映する１６ｓｌｐｍの最小の公称空気流速度によってセットされた。
【００６４】
テストデータは、重要なカソードの浸水が１５Ａより大きい、または５Ａより下の負荷に対して発生しないことを示した。５Ａより小さい場合、燃料電池スタック１２は、おそらく圧縮器が１６ｓｌｐｍより下の空気流速度を提供することができないことの結果である過剰な酸化剤の流れにより、脱水を経験した。５Ａから１５Ａの負荷に対して、３０Ａ（４６ｓｌｍｐ）で２．０の化学量論と等価な流速度までの１０秒間の酸化剤の空気流速度の増加は、これらの蘇生ステップの間の１０秒の間隔により、低負荷（５Ａから１５Ａの間）の燃料電池のパフォーマンスを改良することが分かった。
【００６５】
付加的に、または追加として、蘇生ステップは、低電圧状態が燃料電圧チェッカーＳ９により検出された時はいつでも実行され得る。
【００６６】
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。
【００６７】
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０９／９１６，２１１号は、ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＰＵＲＧＩＮＧ  ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ（Ａｔｔｙ．Ｄｏｃｋｅｔ  Ｎｏ．１３０１０９．４０７）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。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られ得る。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。
【００６８】
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、添付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】
【００６９】
【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９Ａ】図９Ａは、図９Ｂと組み合わせて、低電圧状態を検出し、燃料電池を蘇生させるステップを含む、図１および２の燃料電池システムの動作方法を示すフローチャートである。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａと組み合わせて、低電圧状態を検出し、燃料電池を蘇生させるステップを含む、図１および２の燃料電池システムの動作方法を示す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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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