(57)【要約】  種々の実施形態のシステム、方法および装置は、電気化学インピーダンス分光法（「ＥＩＳ」）を燃料電池などの複数の電気化学装置上で電気化学装置との人的相互作用なしに同時に実施し、ＥＩＳを用いて燃料電池システムの性能を動的に監視することを可能にする、ハードウェアおよびソフトウェアアーキテクチャを提供する。実施形態の方法では、燃料電池セットのインピーダンスを電気化学インピーダンス分光法によって求めること、燃料電池セットのオーム分極をインピーダンスから求めること、燃料電池セットの濃度分極をインピーダンスから求めること、燃料電池セットのオーム分極を第１のしきい値と比較すること、燃料電池セットの濃度分極を第２のしきい値と比較すること、およびオーム分極が第１のしきい値よりも高いかまたは濃度分極が第２のしきい値よりも低いときに補正処置を開始することを含むことができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムを監視する方法であって、
燃料電池セットに適用する単一周波数を決定するステップと、
単一周波数における燃料電池セットの仮想インピーダンスを電気化学インピーダンス分光法によって求めるステップと、
燃料電池セットの仮想インピーダンスを第１のしきい値と比較するステップと、
仮想インピーダンスが第１のしきい値と交差するときに補正処置を開始するステップと、を含み、
燃料電池セットの燃料利用率が、単一周波数における仮想インピーダンスに依存する方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
単一周波数において燃料電池セットから引き出される電流を求めるステップと、
燃料電池セットの燃料利用率を仮想インピーダンスおよび電流から求めるステップと、
をさらに含む方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、
前記燃料電池セットの燃料利用率を仮想インピーダンスおよび電流から求めるステップが、燃料電池セットの仮想インピーダンスと燃料利用率との関係を求めることを含む方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、
前記燃料電池セットの仮想インピーダンスと燃料利用率との関係が、回帰モデリングによって求められる方法。
【請求項５】
請求項３記載の方法において、
前記燃料電池セットの仮想インピーダンスと燃料利用率との関係が、参照表によって求められる方法。
【請求項６】
請求項２記載の方法において、
燃料電池セットの燃料利用率を第２のしきい値と比較するステップと、
燃料利用率が第２のしきい値と交差するときに補正処置を開始するステップと、
をさらに含む方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、
前記燃料電池セットに適用する単一周波数を決定するステップが、
複数の既知の燃料利用率値に対してある範囲の周波数を燃料電池セットに適用することと、
周波数範囲の各周波数において、燃料電池セットの運転パラメータを変更することと、
運転パラメータを変更しながら、周波数範囲の各周波数において、複数の既知の燃料利用率値の各々に対して、燃料電池セットの仮想インピーダンスを測定することと、
複数の既知の燃料利用率値が運転パラメータよりも仮想インピーダンスに依存する周波数範囲の周波数として単一周波数を決定することと、
単一周波数をメモリに保存することと、
を含む方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法において、
運転パラメータが、温度と空気利用率の少なくとも一方を含む方法。
【請求項９】
請求項１記載の方法において、
燃料電池セットが、燃料電池モジュール、燃料電池カラムまたは燃料電池セグメントを含む方法。
【請求項１０】
請求項１記載の方法において、
単一周波数が、１ヘルツ〜２ヘルツである方法。
【請求項１１】
請求項１記載の方法において、
燃料利用率が、単一パス燃料利用率である方法。
【請求項１２】
請求項１記載の方法において、
補正処置が、
スタック回復シークエンスを開始すること、
燃料電池セットに供給される燃料を変えること、
燃料電池セットからの出力電流を変えること、
燃料電池システム中の部品を調節すること、および
操作者が処置を取るように警告を発することのうちの１つ以上を含む方法。
【請求項１３】
請求項１記載の方法において、
第１の周波数範囲にわたる燃料電池セットの実際のインピーダンスを電気化学インピーダンス分光法によって求めるステップと、
燃料電池セットの実際のインピーダンスを第３のしきい値と比較するステップと、
実際のインピーダンスが第３のしきい値と交差するときに補正処置を開始するステップと、
をさらに含む方法。
【請求項１４】
燃料電池システムを監視する方法であって、
燃料電池セットに適用する第１の周波数範囲を決定するステップと、
第１の周波数範囲にわたる燃料電池セットの実際のインピーダンスを電気化学インピーダンス分光法によって求めるステップと、
燃料電池セットの実際のインピーダンスを第１のしきい値と比較するステップと、
実際のインピーダンスが第１のしきい値と交差するときに補正処置を開始するステップと、を含み、
燃料電池セットの実際のインピーダンス対第１の周波数範囲の周波数の傾きが、燃料電池セットの実際のインピーダンス対第１の周波数範囲の外側の第２の周波数範囲の周波数の傾きと実質的に同じである方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の方法において、
燃料電池セットのオーム抵抗を実際のインピーダンスから求めるステップをさらに含む方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の方法において、
前記燃料電池セットのオーム抵抗を実際のインピーダンスから求めるステップが、燃料電池セットの実際のインピーダンスと周波数との関係を求めることを含む方法。
【請求項１７】
請求項１６記載の方法において、
燃料電池セットの実際のインピーダンスと周波数との関係が、対数または線形適合式によって求められる方法。
【請求項１８】
請求項１６記載の方法において、
燃料電池セットの実際のインピーダンスと周波数との関係が、参照表によって求められる方法。
【請求項１９】
請求項１５記載の方法において、
燃料電池セットのオーム抵抗を第２のしきい値と比較するステップと、
オーム抵抗が第２のしきい値と交差するときに補正処置を開始するステップと、
をさらに含む方法。
【請求項２０】
請求項１４記載の方法において、
第１の周波数範囲にわたる燃料電池セットの実際のインピーダンスが、運転パラメータよりもオーム抵抗に依存する方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の方法において、
運転パラメータが、燃料利用率と空気利用率の少なくとも一方を含む方法。
【請求項２２】
請求項１４記載の方法において、
燃料電池セットが、燃料電池モジュール、燃料電池カラムまたは燃料電池セグメントを含む方法。
【請求項２３】
請求項１４記載の方法において、
第１の周波数範囲が、１０ヘルツ〜１０００ヘルツの範囲内である方法。
【請求項２４】
請求項１４記載の方法において、
第２の周波数範囲が、１，０００ヘルツ〜１００，０００ヘルツの範囲内である方法。
【請求項２５】
請求項１４記載の方法において、
補正処置が、
スタック回復シークエンスを開始すること、
燃料電池セットに供給される燃料を変えること、
燃料電池セットからの出力電流を変えること、
燃料電池システム中の部品を調節すること、および
操作者が処置を取るように警告を発することのうちの１つ以上を含む方法。
【請求項２６】
請求項１４記載の方法において、
単一周波数における燃料電池セットの仮想インピーダンスを電気化学インピーダンス分光法によって求めるステップと、
燃料電池セットの仮想インピーダンスを第３のしきい値と比較するステップと、
仮想インピーダンスが第３のしきい値と交差するときに補正処置を開始するステップと、
をさらに含む方法。
【請求項２７】
請求項１４記載の方法において、
燃料電池セットが電力を発生している間に、燃料電池セット中のＤＣ／ＤＣ変換器が測定されて、第１の周波数範囲における実際のインピーダンスが求められる方法。
【請求項２８】
燃料電池システムを監視する方法であって、
燃料電池セットのインピーダンスを電気化学インピーダンス分光法によって求めるステップと、
燃料電池セットのオーム分極をインピーダンスから求めるステップと、
燃料電池セットの濃度分極をインピーダンスから求めるステップと、
燃料電池セットのオーム分極を第１のしきい値と比較するステップと、
燃料電池セットの濃度分極を第２のしきい値と比較するステップと、
オーム分極が第１のしきい値と交差するかまたは濃度分極が第２のしきい値と交差するときに補正処置を開始するステップと、
を含む方法。
【請求項２９】
請求項２８記載の方法において、
インピーダンスが、単一周波数または周波数の部分的範囲において求められる方法。
【請求項３０】
請求項２９記載の方法において、
燃料電池セットの濃度分極が、単一周波数におけるインピーダンスの虚数部に依存する方法。
【請求項３１】
請求項２９記載の方法において、
燃料電池セットのオーム分極が、インピーダンスの実数部と周波数の部分的範囲との関係から求められる方法。
【請求項３２】
請求項２８記載の方法において、
燃料電池セットが、燃料電池モジュール、燃料電池カラムまたは燃料電池セグメントを含む方法。
【請求項３３】
請求項２８記載の方法において、
補正処置が、
スタック回復シークエンスを開始すること、
燃料電池セットに供給される燃料を変えること、
燃料電池セットからの出力電流を変えること、
燃料電池システム中の部品を調節すること、および
操作者が処置を取るように警告を発することのうちの１つ以上を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学インピーダンス分光法（「ＥＩＳ」）分析計およびその使用方法に関するものである。
【０００２】
関連出願の相互参照
本願は、その全体が本願明細書において参照により援用されている、２０１５年９月１４日に出願された米国特許出願第１４／８５３，０３０号（特許文献１）の優先権の利益を主張するものである。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池などの電気化学装置は、燃料中に貯蔵されたエネルギーを電気エネルギーに高効率で変換することができる。固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムなどの燃料電池システムにおいて、酸化性の流れが燃料電池のカソード側を通過し、燃料吸入流が燃料電池のアノード側を通過する。酸化性の流れは一般に空気であり、燃料流はメタン、天然ガス、ペンタン、エタノール、メタノールなどの炭化水素燃料とすることができる。燃料電池は、負に帯電した酸素イオンをカソード流からアノード流に輸送することができ、イオンは、遊離水素もしくは炭化水素分子中の水素と結合して水蒸気を形成し、かつ／または一酸化炭素と結合して二酸化炭素を形成する。負に帯電したイオンからの過剰の電子は、アノードとカソードとの間で完結する電気回路を経由して燃料電池のカソード側に戻り、その結果、回路を通して電流が流れる。
【０００４】
燃料電池などの電気化学装置の運転を最適化するために、電極の分極挙動および導電性、電解質、並びに電気化学装置の電流担体を監視して、酸化性の流れおよび燃料流を正確に調節可能にすることができる。燃料電池などの電気化学装置に適切な運転条件を維持するために、電気化学装置を連続して監視および調節することが望ましいが、燃料電池などの電気化学装置を監視する現法は、非効率的であり、カスタマイズすることができず、人の介在が必要であり、人の介在は最適化並びに連続的な監視および調節を困難にする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願第１４／８５３，０３０号
【特許文献２】米国特許出願第１３／９３７，３１２号
【特許文献３】米国特許第７，７０５，４９０号明細書
【特許文献４】米国特許第７，７１３，６４９号明細書
【特許文献５】米国特許第８，４４０，３６２号明細書
【特許文献６】米国特許出願第１１／６５６，００６号
【特許文献７】米国特許第７，７０５，４９０号明細書
【特許文献８】米国特許第８，５６３，１８０号明細書
【発明の概要】
【０００６】
種々の実施形態のシステム、方法および装置は、電気化学インピーダンス分光法（「ＥＩＳ」）を燃料電池などの複数の電気化学装置上で電気化学装置との人的相互作用なしに同時に実施し、ＥＩＳを用いて燃料電池システムの性能を動的に監視することを可能にする、ハードウェアおよびソフトウェアアーキテクチャを提供する。ＥＩＳを利用して燃料電池システムを監視するシステムおよび方法をさらに開示する。種々の実施形態において、この方法は、燃料電池セットに適用する単一周波数を決定することと、単一周波数における燃料電池セットの仮想インピーダンスを電気化学インピーダンス分光法によって求めることと、燃料電池セットの仮想インピーダンスを第１のしきい値と比較することと、仮想インピーダンスが第１のしきい値よりも低いときに補正処置を開始することと、を含むことができ、燃料電池セットの燃料利用率が単一周波数における仮想インピーダンスに依存する。
【０００７】
種々の実施形態によれば、別の方法は、燃料電池セットに適用する第１の周波数範囲を決定することと、第１の周波数範囲にわたる燃料電池セットの実際のインピーダンスを電気化学インピーダンス分光法によって求めることと、燃料電池セットの実際のインピーダンスを第１のしきい値と比較することと、実際のインピーダンスが第１のしきい値よりも高いときに補正処置を開始することと、を含むことができ、燃料電池セットの実際のインピーダンス対第１の周波数範囲の周波数の傾きが、燃料電池セットの実際のインピーダンス対第１の周波数範囲の外側の第２の周波数範囲の周波数の傾きと実質的に同じである。
【０００８】
種々の実施形態によれば、別の方法は、燃料電池セットのインピーダンスを電気化学インピーダンス分光法によって求めることと、燃料電池セットのオーム分極をインピーダンスから求めることと、燃料電池セットの濃度分極をインピーダンスから求めることと、燃料電池セットのオーム分極を第１のしきい値と比較することと、燃料電池セットの濃度分極を第２のしきい値と比較することと、オーム分極が第１のしきい値よりも高いかまたは濃度分極が第２のしきい値よりも低いときに補正処置を開始することを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示的な実施形態で使用することができる燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】例示的な実施形態で使用することができるモジュール燃料電池システム封入体の等角図である。
【図３】例示的な実施形態で使用することができるホットボックスを示す模式的工程系統図である。
【図４】一実施形態に係るシステムのブロック図である。
【図５】マルチチャネルＥＩＳ分析計と、マトリックススイッチと、一実施形態に係る燃料電池スタックの個々の燃料電池との接続を示すブロック図である。
【図６】マルチチャネルＥＩＳを複数の個々の燃料電池に接続するマトリックススイッチ内の接続例を示すブロック図である。
【図７】燃料電池を選択し、試験する実施形態の一方法を示す工程系統図である。
【図８】異なる燃料利用率における燃料電池セットの周波数と仮想インピーダンスの関係を示すグラフである。
【図９】燃料電池セットを監視する実施形態の一方法を示す工程系統図である。
【図１０】広い周波数範囲にわたる燃料電池セットの周波数と実際のインピーダンスの関係を示すグラフである。
【図１１】燃料電池セットを監視する実施形態の一方法を示す工程系統図である。
【図１２】燃料電池セットを監視する実施形態の一方法を示す工程系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１を参照すると、例示的な一燃料電池システムは、その全体が本願明細書において参照により援用されている、米国特許出願第１３／９３７，３１２号（特許文献２）に記載されているように、情報技術（「ＩＴ」）負荷装置（すなわち、コンピュータ（単数または複数）、サーバ（単数または複数）、モデム（単数または複数）、ルータ（単数または複数）、ラック（単数または複数）、電源接続部、およびデータセンター環境に見られる他の部品の１個以上を含むことができるＩＴシステムにおいて動作する装置）などのＤＣ負荷装置１０２、入出力モジュール（ＩＯＭ）１０４、および１個以上の電力モジュール１０６を備える。
【００１１】
ＩＯＭ１０４は、１個以上の電力調節部品を含むことができる。電力調節部品として、ＤＣ／ＡＣインバータ１０４Ａ（例えば、その全体が本願明細書において参照により援用されている、米国特許第７，７０５，４９０号明細書（特許文献３）に記載されているＤＣ／ＡＣインバータ）などのＤＣ電力をＡＣ電力に変換する部品、配電網へのＡＣ電力出力のための電気接続部、電気的過渡現象を管理する回路、システム制御装置（例えば、コンピュータまたは専用制御論理装置もしくは回路）などが挙げられる。電力調節部品は、燃料電池モジュールからのＤＣ電力を様々なＡＣ電圧および周波数に変換するように設計することができる。２０８Ｖ、６０Ｈｚ；４８０Ｖ、６０Ｈｚ；４１５Ｖ、５０Ｈｚおよび他の一般的な電圧と周波数の設計を行うことができる。
【００１２】
各電力モジュール１０６のキャビネットは、１個以上のホットボックスを収容するように構成される。各ホットボックスは、伝導性相互接続プレートで分離されたセラミック酸化物電解質を有する固体酸化物燃料電池の１個以上のスタックまたはカラムなどの（一般に「セグメント」と称される）燃料電池１０６Ａの１個以上のスタックまたはカラムを含む。ＰＥＭ、溶融炭酸塩、リン酸などの別の燃料電池タイプを使用することもできる。
【００１３】
燃料電池は、組み合わせて「スタック」と呼ばれるユニットにされることが多く、このようなスタックでは、燃料電池が直列で電気的に接続され、相互接続部として機能するガスセパレータプレートなどの導電性相互接続部によって分離される。燃料電池スタックは、その端部に伝導性端板を備えることができる。燃料電池スタックの一般的なものは、いわゆる燃料電池セグメントまたはカラムであり、これらは直列に接続された１個以上の燃料電池スタックを含むことができる（例えば、１個のスタックの端板は、次のスタックの端板に電気的に接続される）。燃料電池セグメントまたはカラムは、直流をセグメントまたはカラムから電力調節システムに出力する導線を含むことができる。燃料電池スタックセグメントは、１個以上の燃料電池スタックを含むセグメントである。燃料電池システムは、１個以上の燃料電池カラムを含むことができ、その各々は、固体酸化物燃料電池スタックなどの１個以上の燃料電池スタックを含むことができる。
【００１４】
燃料電池スタックは、燃料のために内部で分岐することができ、また空気のために外部で分岐することができ、その全体が本願明細書において参照により援用されている、米国特許第７，７１３，６４９号明細書（特許文献４）に記載されているように、燃料吸入および排出立ち上がり管のみが燃料電池層の開口および／または燃料電池間の相互接続プレートの開口を通って延在する。燃料電池は、直交流（空気と燃料が各燃料電池における電解質の両側で互いにほぼ垂直に流れる）、向流平行（空気と燃料が各燃料電池における電解質の両側で互いにほぼ平行であるが反対方向に流れる）、または並行流平行（空気と燃料が各燃料電池における電解質の両側で互いにほぼ平行に同じ方向に流れる）の構成にすることができる。
電力モジュールは、太陽電池、風力タービン、地熱または水力発電機などの別の直流発生装置を備えることもできる。
【００１５】
燃料電池のセグメント（単数または複数）１０６Ａは、モジュール１０６中に配置された１個以上のＤＣ／ＤＣ変換器１０６Ｂによって、分割ＤＣ母線などの１本以上のＤＣ母線１１２に接続することができる。ＤＣ／ＤＣ変換器１０６Ｂは、燃料電池システムのどこに配置してもよく、例えば、電力モジュール１０６の代わりにＩＯＭ１０４中に配置してもよい。
【００１６】
システムは、場合によっては、１列のスーパーキャパシタ、電池、フライホイールなどの貯蔵装置を含むエネルギー貯蔵モジュール１０８を備えることもできる。貯蔵装置は、図１に示すように、１個以上のＤＣ／ＤＣ変換器によってＤＣ母線１１２に接続することもできる。あるいは、貯蔵装置を、電力モジュール１０６中に配置し、かつ／またはＩＴ負荷装置１０２と一緒に配置することができる。ＩＴ負荷装置１０２は、ＤＣ母線１１２に接続されたＡサイド（すなわち、一次サイド）と配電網１１４（例えば、４８０ＶのＡＣ配電網）に接続されたＢサイド（すなわち、バックアップサイド）とを有する電源１０２Ａを備えることができる。ＩＯＭ１０４を配電網１１４に接続して、配電網１１４に電力を供給することもできる。
【００１７】
図２に、その全体が本願明細書において参照により援用されている、米国特許第８，４４０，３６２号明細書（特許文献５）に記載されている例示的なモジュール燃料電池システムを示す。このようなモジュラーシステムは、前述したようなモジュールおよび部品、並びにその全体が本願明細書において参照により援用されている、２００７年１月２２日に出願された「Modular Fuel Cell System」という米国特許出願第１１／６５６，００６号（特許文献６）に記載されているモジュールおよび部品を備えることができる。燃料電池システム封入体１０のモジュラー設計は、柔軟なシステム設置および運転を提供するものである。
【００１８】
モジュール燃料電池システム封入体１０は、複数の電力モジュールハウジング１２（燃料電池電力モジュール部品を含み、ハウジング１２およびその部品は、図１においてまとめて１０６と表示されている）、１個以上の燃料入力（すなわち、燃料処理）モジュールハウジング１６、および１個以上の電力調節（すなわち、電気出力）モジュールハウジング１８（ハウジングおよびその構成部品は、図１において１０４と表示され、「ＩＯＭ」と示されている）を備える。例えば、システム封入体は、２〜３０個の電力モジュール（例えば、６〜１２個の電力モジュール）などの任意の所望の数のモジュールを備えることができる。図２に、６個の電力モジュール（１列の横方向に重ねられた６個のモジュール）、１個の燃料処理モジュール、および１個の電力調節モジュールを共通基部２０上に含むシステム封入体１０を示す。各モジュールは、それ自体のキャビネットまたはハウジングを備えることができる。あるいは、電力調節（すなわち、ＩＯＭ）および燃料処理モジュールを組み合わせて、１個のキャビネットまたはハウジング１４中に配置された単一の入出力モジュールとすることができる。簡略化するために、各ハウジング１２、１４、１６、１８を以下では「モジュール」と称する。
【００１９】
１列の電力モジュール１２を示したが、システムは、１列を超えるモジュール１２を備えることができる。例えば、システムは、背中合わせに重ねられた２列の電力モジュールを備えることができる。
【００２０】
各電力モジュール１２は、１個以上のホットボックス１３を収容するように構成される。各ホットボックスは、伝導性相互接続プレートで分離されたセラミック酸化物電解質を有する固体酸化物燃料電池の１個以上のスタックまたはカラムなどの（理解しやすくするために図示せず）燃料電池の１個以上のスタックまたはカラムを含む。ＰＥＭ、溶融炭酸塩、リン酸などの別の燃料電池タイプを使用することもできる。
【００２１】
モジュール燃料電池システム封入体１０は、１個以上の入力または燃料処理モジュール１６も備える。このモジュール１６は、脱硫装置の床などの燃料の前処理に使用される部品を含むキャビネットを備える。燃料処理モジュール１６は、異なるタイプの燃料を処理するように設計することができる。例えば、ディーゼル燃料処理モジュール、天然ガス燃料処理モジュールおよびエタノール燃料処理モジュールを、同じまたは別々のキャビネットに備えることができる。特定の燃料用に調整された異なる床組成物を各モジュールに供給することができる。処理モジュール（単数または複数）１６は、パイプラインから供給される天然ガス、圧縮天然ガス、メタン、プロパン、液化石油ガス、ガソリン、ディーゼル、家庭用暖房油、灯油、ＪＰ−５、ＪＰ−８、航空燃料、水素、アンモニア、エタノール、メタノール、合成ガス、バイオガス、バイオディーゼルおよび他の適切な炭化水素または水素含有燃料から選択される燃料の少なくとも１種を処理することができる。所望であれば、改質装置１７を燃料処理モジュール１６内に配置することができる。あるいは、改質装置１７を燃料電池スタック（単数または複数）と熱的に統合することが望ましい場合、分離した改質装置１７をそれぞれの電力モジュール１２の各ホットボックス１３内に配置することができる。さらに、内部改質燃料電池を使用する場合、外部改質装置１７を完全に省略することができる。
【００２２】
モジュール燃料電池システム封入体１０は、１個以上の電力調節モジュール１８も備える。電力調節モジュール１８は、燃料電池スタックによって生成されたＤＣ電力をＡＣ電力に変換する部品（例えば、その全体が本願明細書において参照により援用されている、米国特許第７，７０５，４９０号明細書（特許文献７）に記載されているＤＣ／ＤＣおよびＤＣ／ＡＣ変換器）、配電網へのＡＣ電力出力のための電気接続部、電気的過渡現象を管理する回路、システム制御装置（例えば、コンピュータまたは専用制御論理装置もしくは回路）を含むキャビネットを備える。電力調節モジュール１８は、燃料電池モジュールからのＤＣ電力を異なるＡＣ電圧および周波数に変換するように設計することができる。２０８Ｖ、６０Ｈｚ；４８０Ｖ、６０Ｈｚ；４１５Ｖ、５０Ｈｚおよび他の一般的な電圧および周波数の設計を行うことができる。
【００２３】
燃料処理モジュール１６および電力調節モジュール１８を１個の入出力キャビネット１４に収容することができる。単一の入出力キャビネット１４を設ける場合、モジュール１６および１８をキャビネット１４内に垂直に（例えば、燃料処理モジュール１６の脱硫装置容器／床の上の電力調節モジュール１８の部品）または横に配置することができる。
【００２４】
図２の例示的な一実施形態に示すように、入出力モジュール１４の片側に横方向に直線的に配列された６個の電力モジュール１２の１列に対して１個の入出力キャビネット１４を設ける。モジュールの列は、例えば、システムが電力を供給する建物に隣接して位置付けすることができる（例えば、モジュールのキャビネットの背面が建物の壁に面する）。１列の電力モジュール１２を示したが、システムは、１列を超えるモジュール１２を備えることができる。例えば、前述したように、システムは、背中合わせに重ねられた２列の電力モジュールを備えることができる。
【００２５】
線形配列の電力モジュール１２は、スケール変更が容易である。例えば、燃料電池システム１０の供給を受ける建物または別の施設の電力需要に応じて、より多数またはより少数の電力モジュール１２を設けることができる。電力モジュール１２と入出力モジュール１４を別の比で設けることもできる。例えば、別の例示的な実施形態において、より多数またはより少数の電力モジュール１２を入出力モジュール１４に隣接して設けることができる。さらに、支援機能を（例えば、分離した燃料処理モジュール１６および電力調節モジュール１８のキャビネットを有する）１個を超える入出力モジュール１４によって果たすことができる。さらに、一実施形態において、入出力モジュール１４は、電力モジュール１２の列の最後にあるが、電力モジュール１２の列の中央に配置することもできる。
【００２６】
モジュール燃料電池システム封入体１０は、システムの整備を容易にするように構成することができる。定期的または頻繁に点検される部品（消耗部品など）のすべてを単一モジュール内に配置して、点検者に必要な時間を短縮することができる。例えば、天然ガス燃料システム用のパージガスおよび脱硫装置材料を単一モジュール（例えば、燃料処理モジュール１６または複合入出力モジュール１４のキャビネット）内に配置することができる。これは、定期保守中に利用できる唯一のモジュールキャビネットであり得る。したがって、他のモジュールキャビネットを開けず、他のモジュールを点検せず、修理せず、または外しもせずに、各モジュール１２、１４、１６および１８を点検し、修理し、またはシステムから外すことができる。
【００２７】
例えば、前述したように、封入体１０は、複数の電力モジュール１２を含むことができる。少なくとも１個の電力モジュール１２をラインから外すときには（すなわち、ラインから外したモジュール１２のホットボックス１３内のスタックによって電力は生成されない）、残りの電力モジュール１２、燃料処理モジュール１６および電力調節モジュール１８（または複合入出力モジュール１４）をラインから外さない。さらに、燃料電池封入体１０は、１個を超える各タイプのモジュール１２、１４、１６または１８を備えることができる。特定のタイプの少なくとも１個のモジュールをラインから外すときには、同じタイプの残りのモジュールをラインから外さない。
【００２８】
したがって、複数のモジュールを含むシステムにおいて、モジュール１２、１４、１６もしくは１８の各々を、電気的に切り離し、燃料電池封入体１０から外し、かつ／またはシステム内の他のモジュールの運転を停止せずに点検もしくは修理することができ、燃料電池システムが継続して電気を発生できるようにすることができる。１個のホットボックス１３内の１個の燃料電池スタックが正しく作動しないか、または点検のためにラインから外される場合、燃料電池システム全体を停止する必要がない。
【００２９】
電力モジュール１２および入出力モジュール１４の各々は、モジュールの内部部品に（例えば、維持、修理、交換などのために）接近できるようにする扉３０（例えば、蓋、点検用パネルなど）を備える。一実施形態によれば、モジュール１２および１４は、各キャビネットの１面にのみ扉３０を有する線形配列で並べられ、連続した列のシステムを端部が互いに接して設置することができる。このようにして、追加のモジュール１２または１４および基部２０を用いて、既存のモジュール１２および１４並びに基部２０に必要な再配列を最小限にして、燃料電池封入体１０のサイズおよび容量を調節することができる。所望であれば、モジュール１４の扉をキャビネットの前面ではなく側面にすることができる。
【００３０】
扉３０は、実質的に垂直、次いで実質的に水平に振る（例えば、「ガルウイング」方式）のに合わせて開くことができる。換言すれば、扉３０は、上に動かし、次いで少なくとも部分的に封入体１０の最上部の上に実質的に水平方向に動かすことによって開く。この実施形態の実質的に垂直および実質的に水平という用語は、それぞれ、正確な垂直および水平方向から０〜１０度などの０〜３０度のずれを含む。
【００３１】
扉３０は、モジュール１２または１４の封入体またはキャビネット１０の壁に複数の独立した機械的アームを用いて搭載される。開いた位置では、扉３０の上部が封入体またはキャビネット１０の上に位置し、扉の下部が封入体１０の開口の上に突き出る場合もある。この構造では、扉の下部が燃料電池システム封入体１０から突き出るので、扉３０は、開いたときに使用者を雨および雪から保護する。あるいは、扉３０全体は、開いた位置で封入体１０の上に位置することができる。
【００３２】
図３は、その全体が本願明細書において参照により援用されている、２０１３年１０月２２日に登録された米国特許第８，５６３，１８０号明細書（特許文献８）に記載されているように、部品を通る様々な流れを示す、モジュール１２および（図２では１３と示された）ホットボックス３１の部品の模式的工程系統図を示すものである。
【００３３】
ホットボックス３１は、固体酸化物燃料電池スタックなどの複数の燃料電池スタック３９を含む（スタックの１個の固体酸化物燃料電池は、イットリア安定化ジルコニア、またはスカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）などのセラミック電解質、ニッケル−ＹＳＺまたはＮｉ−ＳＳＺサーメットなどのアノード電極、およびランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）などのカソード電極を含む）。スタック３９は、複数のカラムまたはセグメント内で積層することができる。
【００３４】
ホットボックス３１は、蒸気発生装置３１０３も備える。蒸気発生装置３１０３は、水槽または送水管などの水源３１０４から導管３３０Ａを通って水が供給され（すなわち、連続水供給）、水を蒸気にする。蒸気は、発生装置３１０３から混合機３１０５に導管３３０Ｂを通って供給され、混合機３１０５においてスタックアノード（燃料）再循環流と混合される。混合機３１０５は、ホットボックス３１の内側または外側に配置することができる。好ましくは、加湿されたアノード排出流は、図３に模式的に示したように、混合機３１０５の下流の燃料吸入ラインまたは導管３２９において燃料吸入流と混ざる。あるいは、所望であれば、燃料吸入流を混合機３１０５に直接供給することもでき、または蒸気を燃料吸入流に直接供給することができ、かつ／またはアノード排出流を燃料吸入流に直接供給し、続いて複合燃料流を加湿することができる。蒸気発生装置３１０３は、導管３１１９において蒸気発生装置３１０３と熱交換関係で通過する高温アノードテールガス酸化装置（「ＡＴＯ」）３１０の排出流によって加熱される。
【００３５】
システムは、以下のように作動する。炭化水素流（例えば、天然ガスなど）の燃料吸入流は、燃料吸入導管３２９に供給され、ホットボックスの外側に配置された接触部分酸化（ＣＰＯｘ）反応器３１１１を通る。システム始動中、空気もＣＰＯｘ空気吸入導管３１１３を通ってＣＰＯｘ反応器３１１１に供給され、燃料吸入流を接触部分酸化する。空気は、ＣＰＯｘ空気ブロワ３１１４によってＣＰＯｘ空気吸入導管３１１３を通ってＣＰＯｘ反応器３１１１に送ることができる。ＣＰＯｘ空気ブロワ３１１４は、始動中にのみ作動することができる。定常状態システム運転中、空気流は（例えば、ＣＰＯｘ空気ブロワ３１１４の電源を切ることによって）遮断され、ＣＰＯｘ反応器は、燃料が部分酸化されない燃料通路として働く。したがって、ホットボックス３１は、始動モードと定常状態モードの両方でＣＰＯｘ反応器３１１１を通って燃料を供給する１個の燃料吸入導管のみを備えることができる。したがって、定常状態システム運転中にＣＰＯｘ反応器を迂回する別の燃料吸入導管は不要である。
【００３６】
燃料吸入流は、燃料熱交換器（アノード復熱装置）／予備改質器３１３７に供給され、その温度は、スタック３９のアノード（燃料）排出流との熱交換によって上昇する。燃料吸入流は、熱交換器３１３７の予備改質器セクションでＳＭＲ反応によって予備改質され、改質された燃料吸入流（水素、一酸化炭素、水蒸気および非改質メタンを含む）は、燃料吸入導管（単数または複数）３２１を通ってスタック３９に供給される。燃料吸入流は、スタック３９の燃料吸入立ち上がり管を通ってスタックを上方に移動し、電気発生中にスタック３９内で酸化される。酸化された燃料（すなわち、アノードまたは燃料排出流）は、燃料排出立ち上がり管を通ってスタック３９を下方に移動し、次いで燃料排出導管３２３Ａを通ってスタックから排出されて燃料熱交換器３１３７に入る。
【００３７】
燃料熱交換器３１３７において、アノード排出流は、燃料吸入流を熱交換によって加熱する。アノード排出流は、次いで、燃料排出導管３２３Ｂを介して、分割器３１０７に供給される。アノード排出流の第１の部分は、分割器３１０７からＡＴＯ３１０へ導管（例えば、スリット）３１３３を介して供給される。
【００３８】
アノード排出流の第２の部分は、分割器３１０７からアノード冷却器３１００、次いで燃料吸入流に再循環される。例えば、アノード排出流の第２の部分は、導管３３１を通ってアノード冷却器（すなわち、空気予熱器熱交換器）に再循環され、そこで、アノード排出流は、導管３３３からの空気吸入流を予熱する。アノード排出流は、次いで、アノード再循環ブロワ３１２３によって混合機３１０５に供給される。アノード排出流は、混合機３１０５において、蒸気発生装置３１０３から供給される蒸気との混合によって加湿される。加湿されたアノード排出流は、次いで、混合機３１０５から加湿アノード排出流導管３１２１を介して燃料吸入導管３２９に供給され、そこで燃料吸入流と混ざる。
【００３９】
空気吸入流は、主空気ブロワ３１２５によって空気吸入導管３３３からアノード冷却器３１００の熱交換器に供給される。主空気ブロワ３１２５は、前述したように、全システム用の単一の空気流制御装置を備えることができる。アノード冷却器３１００の熱交換器において、空気吸入流がアノード排出流によって熱交換により加熱される。加熱された空気吸入流は、次いで、空気熱交換器（カソード復熱装置）３２００に導管３３１４を介して供給される。加熱空気吸入流は、空気熱交換器３２００からスタック（単数または複数）３９に空気吸入導管および／または多岐管３２５を介して供給される。
【００４０】
空気は、スタック３９を通ってカソード排出導管３２４に入り、カソード排出導管３２４および混合機３８０１を通ってＡＴＯ３１０に入る。ＡＴＯ３１０において、空気排出流は、導管３１３３からのアノード排出流の分割された第１の部分を酸化して、ＡＴＯ排出流を生成する。ＡＴＯ排出流は、ＡＴＯ排出導管３２７を通って空気熱交換器３２００中に排出される。ＡＴＯ排出流は、空気熱交換器３２００において空気吸入流を熱交換によって加熱する。ＡＴＯ排出流（まだ室温よりも高い）は、次いで、空気熱交換器３２００から蒸気発生装置３１０３に導管３１１９を介して供給される。ＡＴＯ排出流からの熱を使用して、蒸気発生装置３１０３における熱交換によって水を蒸気にする。ＡＴＯ排出流は、次いで、システムから排出導管３３５を介して除去される。したがって、空気吸入ブロワ出力（すなわち、動力または速度）を制御することによって、システムに導入される空気の規模（すなわち、体積、圧力、速度など）を制御することができる。カソード（空気）およびアノード（燃料）排出流をそれぞれＡＴＯ空気および燃料吸入流として使用し、したがって別々のＡＴＯ空気および燃料吸入制御装置／ブロワが不要になる。さらに、ＡＴＯ排出流を使用して空気吸入流を加熱するので、ブロワ３１２５による導管３３３内の単一空気吸入流の速度制御を利用して、スタック３９およびＡＴＯ３１０の温度を制御することができる。
【００４１】
したがって、前述したように、導管３３３内の主空気流を可変速ブロワ３１２５および／または制御弁を用いて変更することによって、スタック３９の温度および／またはＡＴＯ３１０の温度を維持する。この場合、可変速ブロワ３１２５または弁を介した主空気流量制御は、主システム温度制御装置として働く。さらに、ＡＴＯ３１０の温度は、燃料利用率（例えば、スタック（単数または複数）３９によって生成される電流とスタック（単数または複数）３９に供給される燃料吸入流の比）を変更することによって制御することができる。最後に、導管３３１および１１７内のアノード再循環流は、可変速アノード再循環ブロワ３１２３によって、および／またはＡＴＯ３１０へのアノード排出と混合機３１０５および燃料吸入導管３２９へのアノード再循環のためのアノード排出の分割を制御する制御弁によって、制御することができる。
【００４２】
図３に示した構成において、ＡＴＯ３１０への燃料および空気入力がなくてもよい。外部天然ガスや別の外部燃料をＡＴＯ３１０に供給しなくともよい。代わりに、燃料電池スタック（単数または複数）３９からの高温燃料（アノード）排出流をＡＴＯ燃料吸入流としてＡＴＯに部分的に再循環させる。同様に、ＡＴＯへの外部空気入力もない。代わりに、燃料電池スタック（単数または複数）３９からの熱風（カソード）排出流をＡＴＯ空気吸入流としてＡＴＯに供給する。
【００４３】
さらに、燃料排出流は、ホットボックス３１内に置かれた分割器３１０７において分割される。分割器３１０７は、アノード復熱装置（例えば、燃料熱交換器）３１３７の燃料排出出口とアノード冷却器３１００（例えば、空気予熱器熱交換器）の燃料排出入口の間に配置する。したがって、燃料排出流は、混合機３１０５とＡＴＯ３１０との間でアノード冷却器３１００に入る前に分割される。これによって、燃料排出流がアノード冷却器３１００において空気吸入流とまだ熱交換していないので、先行技術のものよりも高温の燃料排出流をＡＴＯに供給することができる。例えば、分割器３１０７からＡＴＯ３１０に供給される燃料排出流の温度を３５０〜５００℃などの３５０℃以上（例えば、３９０〜４１０℃などの３７５〜４２５℃）とすることができる。さらに、より少量の燃料排出がアノード冷却器３１００に供給されるので（例えば、分割器３１０７におけるアノード排出の分割のために、アノード排出の１００％がアノード冷却器に供給されることはない）、アノード冷却器３１００の熱交換面積を削減することができる。
【００４４】
種々の実施形態のシステム、方法および装置は、電気化学インピーダンス分光法（「ＥＩＳ」）を燃料電池などの複数の電気化学装置上で電気化学装置との人的相互作用なしに同時に実施可能にする、ハードウェアおよびソフトウェアアーキテクチャを提供する。一実施形態において、マトリックススイッチは、燃料電池スタックの各サブセットの電池（例えば、個々の電池または複数の電池のグループ）を個々にＥＩＳ分析計に接続し、燃料電池スタックにおける任意の燃料電池上でＥＩＳを実施可能にする。好ましくは、サブセットの電池は、単一の燃料電池である。しかし、サブセットの電池は、２個以上の電池、所与のスタックにおける電池のすべてのうちのこうした一部、または所与のスタックにおける電池のすべてを含むことができる。さらなる一実施形態において、ＥＩＳ分析計をマルチチャネルＥＩＳ分析計とすることができ、マトリックススイッチとマルチチャネルＥＩＳ分析計の組み合わせによってＥＩＳを複数の燃料電池（すなわち、複数のサブセットの電池）上で同時に実施することができる。ＥＩＳを複数の燃料電池上で同時に実施すると、ＥＩＳ実行時間を削減することができ、個々の電池を同時に同一システム条件下で試験し、比較することができる。
【００４５】
ＥＩＳは、電気化学装置全体の電圧または電流を異なるサンプリング周波数で測定することによって、電気化学装置の総インピーダンスを求めることができる。約１Ｈｚの振動の波形などの異なるサンプリング周波数が得られるように選択された試験波形を、電気化学装置に接続されたライン上で生成し、それによって試験波形を電気化学装置に送ることができる。試験波形は、所望のサンプリング周波数が得られるように選択された正弦波または別のタイプの波とすることができる。電気化学装置の電圧または電流および生じる位相角をサンプリング周波数の各々において求めることができ、ＥＩＳによってインピーダンスに変換することができる。ＥＩＳによって、燃料電池などの電気化学電源における電極、電解質および／または電流担体の分極挙動および伝導特性を調べることができる。
【００４６】
ＥＩＳによって、電気化学装置の操作者は、使用される電気化学装置の劣化パターン、調子（例えば、修理が必要かどうか）、および／または電気化学組成（例えば、燃料電池へのガス流、または電極組成）を理解することができる。ＥＩＳ手順の結果（例えば、異なる周波数におけるインピーダンス）は、ナイキスト線図またはボード線図によってグラフ化することができ、電気化学装置の特性を電気化学装置のインピーダンス応答に基づいて求めることができる。測定される電気化学装置のインピーダンス応答を、特性が既知の電気化学装置のインピーダンス応答の既知の特徴と比較することによって、測定された装置の特性を明らかにすることができる。インピーダンス応答に少なくとも部分的に基づいて求めることができる電気化学装置の特性として、燃料の状態（例えば、燃料利用率）、空気の状態（例えば、空気利用率）、触媒の状態（例えば、アノード電極触媒の亀裂、および／またはアノード電極触媒の炭素もしくは硫黄被毒）、および水の状態（例えば、ＰＥＭ燃料電池膜の溢水）などが挙げられる。電気化学装置の特性に基づいて、電気化学装置の設定を調節することができる。例えば、燃料利用率および／または水流量に基づいて、電気化学装置に供給される燃料について燃料吸入流への燃料流および／または水流の設定を調節することができる。さらに、求められた電気化学装置の特性を故障しきい値と比較することができ、特性が故障しきい値を超えるときには、燃料欠乏状態、触媒被毒状態、溢水状態などの電気化学装置の故障モードを示している可能性がある。故障しきい値を超える装置を含むモジュール１２を遮断し（すなわち、ラインから外し）、点検または交換することができる。
【００４７】
特定の一実施形態において、電気化学装置は、１個の燃料電池、２個の燃料電池、２５個の燃料電池などの直列に接続された１個以上の燃料電池を含む１個以上の燃料電池スタックセグメントとすることができる。燃料電池スタックセグメントは、固体酸化物燃料電池、プロトン交換膜燃料電池、リン酸燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、または別のタイプの燃料電池のセグメントとすることができる。例えば、燃料電池スタックセグメントを燃料電池１０６Ａの燃料電池スタックセグメントとすることができる。
【００４８】
図４は、一実施形態に係るシステム４００のブロック図である。システム４００は、ＥＩＳ分析計４０４、マトリックススイッチ４０２、燃料電池スタック１０６Ａなどの電気化学装置、および負荷バンク４０８を備えることができる。燃料電池スタック１０６Ａは、（図１において１０６Ｂと示された）ＤＣ／ＤＣ変換器などの１個以上のパワーエレクトロニクス４１３を介して（図１において１１２と示された）ＤＣ母線４１４に電気的に接続されたスタックのより大きいセグメントの一部とすることができる。運転中、燃料電池スタック１０６Ａは、ＤＣ電圧をＤＣ母線４１４に出力することができるパワーエレクトロニクス４１３にＤＣ電圧を出力することができる。一実施形態において、ＤＣ母線４１４は、正のライン、中性ラインおよび負のラインで構成される３相母線とすることができる。
【００４９】
図４は、部品間のデータ転送接続部などのいくつかの電気接続部を示す。これらの接続部は、有線（例えば、ワイヤ、ケーブル、バスなど）でも無線でもよい。マトリックススイッチ４０２は、電気接続部（単数または複数）４０３Ａによって燃料電池スタック１０６Ａの個々の燃料電池に電気的に接続することができる。燃料電池スタック１０６Ａは８個の電池を含むように示されているが、これらの８個の電池は単なる例示であり、燃料電池スタック１０６Ａは、１０〜１００個の電池（例えば、２５〜５０個の電池）などの８個を超える電池または８個未満の電池を含むことができる。（例えば、負荷バンク４０８を介して燃料電池スタック１０６Ａに試験波形を送ることによって）ＥＩＳ分析計４０４が電気接続部４２１を介して燃料電池スタック１０６Ａに試験波形を送ることができるように、ＥＩＳ分析計４０４は、電気接続部４２１によって燃料電池スタック１０６Ａへの電気接続部に電気的に接続することができる（例えば、負荷バンク４０８を介した燃料電池スタック１０６Ａへの１つ以上の接続によって）。電気接続部４２１によって燃料電池スタック１０６Ａに送られた試験波形（例えば、負荷バンク４０８を介して電気接続部４２１から燃料電池スタック１０６Ａに送られた試験波形）に起因する波形を燃料電池スタック１０６Ａの個々の燃料電池からマトリックススイッチ４０２を介してＥＩＳ分析計４０４が採取できるように、ＥＩＳ分析計４０４を電気接続部（単数または複数）４０３Ｂによってマトリックススイッチ４０２に接続することもできる。一例として、ＥＩＳ分析計４０４は、周波数を調節する試験波形を時間の関数として送ることができる。ＥＩＳ分析計４０４は、単一のＥＩＳ分析計４０４として示されているが、親装置と子装置の構成で接続された複数のＥＩＳ分析計で構成して、燃料電池スタック１０６Ａの個々の燃料電池からの波形応答の任意の数の独立したチャネルを監視することができ、マトリックススイッチ４０２を選択された数の独立したチャネルを支援するサイズにすることができる。
【００５０】
負荷バンク４０８が燃料電池スタック１０６Ａの電流および／または電圧出力を監視できるように、燃料電池スタック１０６Ａを電気接続部４１５によって負荷バンク４０８に電気的に接続することができる。負荷バンクは、電気負荷を発生し、電源に負荷をかけ、得られる電源の出力を変換または散逸させる装置である。負荷バンクの目的は、実際の適用において電源が遭遇する運転上または「実際の」負荷を正確に模倣することである。しかし、値が分散し、予測不可能であり、無秩序である可能性がある「実際の」負荷とは異なり、負荷バンクは、抑制され、秩序立てられ、十分制御可能な負荷を提供する。マトリックススイッチ４０２およびＥＩＳ分析計４０４は、各々、マトリックススイッチ４０２およびＥＩＳ分析計４０４に電力を供給することができる電源４０６に接続することができる。一例として、電源を２４０ボルトＡＣ電源とすることができる。負荷バンク４０８は、ＥＩＳ分析計４０４に電気的に接続することができる。場合によっては、ホール効果電流変換器などの電流変換器を負荷バンク４０８と燃料電池スタック１０６Ａの間に接続して、電流を感知し、電流を表すアナログ信号をＥＩＳ分析計４０４に出力することができる。電流変換器は、任意であり、負荷バンクが燃料電池スタック１０６Ａの電流出力の高周波領域に応答できないときに必要となり得る。
【００５１】
マトリックススイッチ４０２、ＥＩＳ分析計４０４および負荷バンク４０８は、制御装置４１２に接続することができる。例えば、負荷バンク４０８を汎用インタフェースバス（「ＧＰＩＢ」）接続部４０５によって制御装置４１２に接続することができ、ＥＩＳ分析計４０４およびマトリックススイッチ４０２をそれぞれのユニバーサルシリアルバス（「ＵＳＢ」）接続部４０７Ａ、４０７Ｂによって制御装置４１２に接続することができる。一実施形態において、制御装置４１２は、プロセッサ実行可能な命令によって、マトリックススイッチ４０２、ＥＩＳ分析計４０４、負荷バンク４０８および補助システム（燃料ブロワ３１２３、空気ブロワ３１１４、３１２５など）を制御する操作を行い、燃料および／または空気を燃料電池スタック１０６Ａに供給するように構成されたプロセッサとすることができる。一実施形態において、制御装置４１２は、燃料電池システムの維持および監視に使用されるラップトップコンピュータなどのパーソナルコンピュータ４１１との有線および／または無線接続部４０９を構築することができる。パーソナルコンピュータ４１１は、燃料電池操作および維持者が燃料電池スタック１０６Ａの選択された電池の応答曲線の特定の領域を選択し、分析して、選択された電池のインピーダンス応答を監視できるように構成することができる。
【００５２】
運転中、制御装置４１２は、ＥＩＳ監視を同時に行う燃料電池スタック１０６Ａの１個以上の燃料電池を選択することができる。例えば、制御装置は、ＥＩＳ監視を同時に行う１、２、３、４、５個以上のサブセットの燃料電池を選択することができる。制御装置４１２は、マトリックススイッチ４０２を制御して、ＥＩＳ分析計４０４の１つの入力を１個以上の選択された燃料電池の各々と整合させることができ、ＥＩＳ分析計４０４を制御して、試験波形を接続部４２１を介して燃料電池スタック１０６Ａに（例えば、接続部４２１を介して負荷バンク４０８を通り、燃料電池スタック１０６Ａに）送ることができる。制御装置４１２は、ＥＩＳ分析計４０４を制御して、燃料電池スタック１０６Ａのそれぞれの選択された燃料電池からの出力をマトリックススイッチ４０２を介して受け取ることができる。一実施形態において、試験波形を全周波数掃引波形とすることができる。別の一実施形態において、試験波形を、重ね合わせ周波数、または１０ＫＨｚ、８ＫＨｚ、６ＫＨｚ、４ＫＨｚ、３ＫＨｚ、２ＫＨｚ、１ＫＨｚなどの特定の周波数領域のみを試験することができる標準周波数範囲とすることができる。負荷バンク４０８は、ＥＩＳ分析計４０４からの出力シグナルを接続部４１７を介して受け取ることができ、それに応じて、燃料電池スタック１０６Ａの選択された燃料電池の生成電流および／または電圧出力を測定し、測定結果を制御装置４１２に出力することができる。一実施形態において、ＥＩＳ分析計４０４は、電気接続部４１５上の任意選択の電流変換器４１０を介して結果を監視し、結果を接続部４１９を介して制御装置４１２に出力することもできる。様々な試験波形を燃料電池スタック１０６Ａに送ることによって、燃料電池スタック１０６Ａの燃料電池の様々な応答を監視することができる。燃料電池スタック１０６Ａの異なる燃料電池の応答を個別にマトリックススイッチ４０２を介して監視することによって、１個を超える電池のＥＩＳ監視を同時に行うことができる。燃料電池スタック１０６Ａの選択された燃料電池の最初のセットのＥＩＳ監視が終了すると、制御装置４１２は、燃料電池スタックの１個以上の燃料電池の次のセットを選択し、マトリックススイッチ４０２を制御して、ＥＩＳ分析計４０４の１つの入力を次のセットの選択された１個以上の燃料電池の各々の出力と整合させることができる。このようにして、ＥＩＳ監視を燃料電池スタックの燃料電池の連続的なセットに対して行うことができる。このようにして、燃料電池スタックの複数の燃料電池を連続的に一緒に試験することによって、燃料電池スタック１０６Ａの個々の電池のＥＩＳ監視を、燃料電池スタック１０６Ａの各燃料電池を個々に順次試験しなければならない場合よりも早く終了することができる。
【００５３】
制御装置４１２は、負荷バンク４０８および／またはＥＩＳ分析計４０４から受け取った燃料電池スタック１０６Ａの選択された燃料電池のＥＩＳ監視によって求められたインピーダンス応答を使用して、各選択された燃料電池の特性を求め、求めた特性に基づいてシステム４００の設定を調節することができる。制御装置４１２は、インピーダンス応答および／または保存インピーダンス値のプロットなどの燃料電池スタック１０６Ａの選択された燃料電池のＥＩＳ監視によって求められたインピーダンス応答を、既知の特性と相関する類似の燃料電池のインピーダンス応答および／または保存インピーダンス値の保存プロットなどのメモリに保存されたインピーダンス応答と比較することができる。制御装置４１２は、燃料電池スタック１０６Ａの選択された燃料電池のＥＩＳ監視によって求められたインピーダンス応答を保存インピーダンス応答と任意の方法で比較して、燃料電池スタック１０６Ａの選択された燃料電池のＥＩＳ監視によって求められたインピーダンス応答と保存インピーダンス応答の一致を確認することができる。
【００５４】
制御装置４１２が燃料電池スタック１０６Ａの選択された燃料電池のＥＩＳ監視によって求められたインピーダンス応答と保存インピーダンス応答の（例えば、同一またはある所定の変動値内の）一致を判定するときには、制御装置４１２は、保存インピーダンス応答と相関する特性が、燃料電池スタック１０６Ａのそれぞれの選択された燃料電池の特性であると判定することができる。例えば、制御装置４１２は、燃料利用率および／または燃料電池の燃料吸入流における蒸気と炭素の比をＥＩＳ監視に基づいて求めることができ、ブロワ３１２３、または燃料入力ライン３２９、またはライン３１０４から蒸気発生装置３１０３への水流を調節することによって、求められた燃料利用率に基づいてシステム４００の燃料流設定および／または燃料吸入流への水入力設定を調節することができる。別の一例として、制御装置４１２は、燃料電池スタック１０６Ａの選択された燃料電池の空気利用率をＥＩＳ監視に基づいて求めることができ、図３に示した空気ブロワ３１２５を調節することによって、求めた空気利用率に基づいてシステム４００の空気流設定を調節することができる。別の例として、ＥＩＳ監視によって、燃料電池スタック１０６Ａの選択された燃料電池の求められた特性を故障しきい値と比較することができ、特性が故障しきい値を超えるときには、調節されるシステムへの燃料および／または水流をもたらし得るか、またはシステムの停止をもたらし得るか、燃料欠乏状態（例えば、アノードにおける不十分な燃料）、（例えば、アノード上に堆積した炭素および／または硫黄、アノード触媒クラッキングなどによる）アノード触媒損傷または被毒状態、（例えば、ＰＥＭ燃料電池における）溢水状態などの燃料電池スタック１０６Ａの選択された燃料電池の故障モードを示している可能性がある。
【００５５】
図５は、マルチチャネルＥＩＳ分析計４０４と、マトリックススイッチ４０２と、一実施形態に係る燃料電池スタック１０６Ａなどの燃料電池スタックの個々の燃料電池との接続を示すブロック図である。燃料電池スタック１０６Ａは、２５個の電池１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ・・・１Ｙなどの複数の燃料電池と、複数の相互接続部５０１、５０２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７、５０８、５０９、５１０、５１１、５１２、５１３、５１４、５１５、５１６、５１７、５１８、５１９、５２０、５２１、５２２、５２３、５２４、５２５および５２６とを備える。末端の相互接続部５０１および５２６は、スタック１０６Ａの端板である。スタック中のそれぞれの燃料電池は、２個の隣接する相互接続部の間に位置する。したがって、電池１Ａは端板５０１と相互接続部５０２との間に位置し、電池１Ｂは相互接続部５０２と５０３との間に位置し、電池１Ｃは相互接続部５０３と５０４との間に位置する（以下、同様）。最後の電池１Ｙは、相互接続部５２５と端板５２６との間に位置する。
【００５６】
マトリックススイッチ４０２は、接続部５３１、５３２、５３３などの電気接続部４０３Ａによってスタック１０６Ａに接続される。各接続部は、スタック中の１個の相互接続部をスイッチ４０２に接続するワイヤ、ケーブルまたはバスを含むことができる。例えば、接続部５３１、５３２および５３３は、それぞれの相互接続部５０１、５０２および５０３に接続される。各燃料電池は、スタック中の隣接相互接続部への２個の接続部によって、マトリックススイッチ４０２に電気的に接続される。すなわち、燃料電池１Ａは、隣接相互接続部５０１および５０２との接続部５３１および５３２によって、マトリックススイッチ４０２に電気的に接続される。これは、燃料電池１Ａを介して相互接続部５０１と５０２との間に閉じた電気ループを形成する。同様に、燃料電池１Ｂは、隣接相互接続部５０２および５０３との接続部５３２および５３３によって、マトリックススイッチ４０２に電気的に接続される。この構成において、各燃料電池は、マトリックススイッチ４０２に個別に電気的に接続され、燃料電池の各サブセットは１個の電池を含む。別の一実施形態において、相互接続部５０２との接続部５３２を省略するか、または作動しなくすることができる（すなわち、電流も電圧も印加されず、収集もされない）。この実施形態において、燃料電池の１サブセットは、相互接続部５０１と５０３との間に配置された２個の燃料電池１Ａおよび１Ｂを含み、相互接続部５０１および５０３とそれぞれの接続部５３１および５３３を介して、電気信号が監視される。別の実施形態において、燃料電池のサブセットは、３〜２５個の電池などの２個を超える電池を含むことができる。
【００５７】
一実施形態において、マルチチャネルＥＩＳ分析計４０４は、５通りのＥＩＳ監視を互いに関連して行うことができる５チャネルＥＩＳ分析計とすることができる。マルチチャネルＥＩＳ分析計４０４は、５個の物理的接続部を介してマトリックススイッチ４０２に接続することができる。マトリックススイッチは、ＥＩＳ分析計４０４の５個の物理的接続部のいずれかが２５個の個々の燃料電池１Ａ〜１Ｙのいずれか一つと整合できるように構成された一連の内部スイッチを備えることができる。一実施形態において、５個の相互接続部５０１、５０２、５０３、５０４および５０５の試験出力部の各々は、燃料電池スタック１０６Ａに送られたマルチチャネルＥＩＳ分析計４０４からの試験波形（例えば、前述した接続部４２１を介して送られた試験波形など）に応じて、波形を出力することができる。マトリックススイッチ４０２を制御して、５個の相互接続部５０１、５０２、５０３、５０４および５０５の出力をマルチチャネルＥＩＳ分析計４０４のそれぞれの入力部に接続して、５個の相互接続部５０１、５０２、５０３、５０４および５０５からの５個の独立した波形をＥＩＳ分析計４０４の５個の異なる入力部に向けることができる。次いで、マトリックススイッチ４０２を制御して、５個の相互接続部５０１、５０２、５０３、５０４および５０５の試験出力部をマルチチャネルＥＩＳ分析計４０４のそれぞれの入力部から切り離し、５個の異なる相互接続部５０６、５０７、５０８、５０９および５１０の試験出力部をマルチチャネルＥＩＳ分析計４０４の入力部に接続して、５個の異なる相互接続部５０６、５０７、５０８、５０９および５１０からの５個の追加の波形をマルチチャネルＥＩＳ分析計４０４の５個の入力部に向けることができる。同様に、マトリックススイッチ４０２を制御して、送られた試験波形に応じて発生する残りの相互接続部５１１〜５２５の波形をＥＩＳ分析計４０４に連続的なグループとしてさらに送ることができる。分析計４０４は、５チャネル超または５チャネル未満（例えば、２〜４チャネル、または８〜１０チャネルなどの６〜２５チャネルなど）を、親装置と子装置の構成などで含むことができる。
【００５８】
図６は、マルチチャネルＥＩＳ分析計４０４を燃料電池の複数のサブセットに接続するマトリックススイッチ４０２内の接続例を示すブロック図である。図６は、燃料電池スタック要素６０６、６０８および６１０を示す。各要素６０６、６０８および６１０は、単一の燃料電池などの燃料電池のサブセット、または相互接続部とすることができる。各要素が燃料電池である場合、図５に示すように、燃料電池との電気接続は、燃料電池の両側に隣接する２個の相互接続部との２個の電気接続部を介して成されることを理解すべきである。各要素が相互接続部である場合、相互接続部の両側の２個の隣接する燃料電池に電気的に接続する。
【００５９】
例えば、マルチチャネルＥＩＳ分析計４０４は、マトリックススイッチ４０２からの３個の物理的入力部６１１、６１２および６１３を有する３チャネルＥＩＳ分析計とすることができる。要素６０６、６０８および６１０の各々は、それぞれ、試験出力部６１４、６１５および６１６によってマトリックススイッチ４０２に接続することができる。要素６０６、６０８および６１０が相互接続部である場合には、出力部６１４、６１５および６１６は単一の電気接続部（例えば、ワイヤ）であり、要素６０６、６０８および６１０がそれぞれの相互接続部間にある燃料電池である場合には、出力部６１４、６１５および６１６は、スタック中の２個の異なる相互接続部に接続された二重の単一電気接続部（例えば、２本のワイヤ）である。
【００６０】
内部スイッチ６１７、６１８および６１９は、試験出力部６１４を３個の物理的入力部６１１、６１２および６１３に接続することができる。内部スイッチ６２０、６２１および６２２は、試験出力部６１５を３個の物理的入力部６１１、６１２および６１３に接続することができる。内部スイッチ６２３、６２４および６２５は、試験出力部６１６を３個の物理的入力部６１１、６１２および６１３に接続することができる。マトリックススイッチ４０２の制御装置６２６を各スイッチ６１７〜６２５に接続して、各スイッチ６１７〜６２５を制御することができる。このようにして、スイッチ６１７〜６２５を開き、かつ／または閉じることによって、制御装置６２６は、燃料電池６０６、６０８および６１０から物理的入力部６１１、６１２および６１３に波形を送ることができる。３個の入力部と３個の出力部のマトリックススイッチ４０２並びに３個の燃料電池６０６、６０８および６１０に接続された３チャネルマルチチャネルＥＩＳ分析計４０４は、３個の入力部と３個の出力部のマトリックススイッチ４０２並びに３個の燃料電池６０６、６０８および６１０に接続された３チャネルマルチチャネルＥＩＳ分析計４０４として示されているが、マトリックススイッチおよび個々の燃料電池に接続されたマルチチャネルＥＩＳ分析計の作動原理を説明するのに単に示したにすぎない。ＥＩＳ分析計のより多いまたはより少ないチャネルを、個々の燃料電池を各ＥＩＳ分析計入力部に接続するより大きいまたはより小さい一連の内部スイッチを適宜有するマトリックススイッチを介して、より多いまたはより少ない個々の燃料電池に接続することができる。
【００６１】
図７は、燃料電池スタックからの複数の燃料電池を同時に選択し、試験する一実施形態の方法７００を示す工程系統図である。一実施形態において、方法７００の操作は、図４を参照して前に考察した燃料電池システム４００の制御装置４１２などの燃料電池システムの制御装置によって行うことができる。ブロック７０２において、制御装置は、燃料電池を複数の燃料電池からインピーダンス試験のために選択することができる。制御装置は、複数の燃料電池から任意の燃料電池を選択することができる。一例として、制御装置は、次のグループの燃料電池を燃料電池スタックからインピーダンス試験のために選択することができる（例えば、次の５個の燃料電池）。ブロック７０４において、制御装置は、各選択された燃料電池用のチャネルを選択することができる。例えば、制御装置は、各選択された燃料電池から波形を受け取るマルチチャネルＥＩＳ分析計４０４などのマルチチャネルＥＩＳ分析計のチャネルを選択することができる。このようにして、各燃料電池を制御装置によって選択して、燃料電池スタックに送られた試験波形に起因するその波形をマルチチャネルＥＩＳ分析計に出力することができる。
【００６２】
ブロック７０６において、制御装置は、マトリックススイッチを制御して、各選択された燃料電池をＥＩＳ分析計のそのそれぞれの選択されたチャネルと整合させることができる。一例として、制御装置は、マトリックススイッチ４０２などのマトリックススイッチを制御装置６２６によって制御して、ＥＩＳ分析計の各チャネル入力部を選択された燃料電池のうちの１個の試験出力部に接続することができる。
【００６３】
ブロック７０７において、制御装置は、マルチチャネルＥＩＳ分析計を制御して、試験波形を燃料電池スタックに送ることができる。一例として、制御装置は、ＥＩＳ分析計４０４などのマルチチャネルＥＩＳ分析計を制御して、試験波形を燃料電池スタック１０６Ａなどの燃料電池スタックに接続部４２１および／または負荷バンク４０８などの燃料電池スタックとの接続部を介して送ることができる。
【００６４】
ブロック７０８において、制御装置は、マルチチャネルＥＩＳ分析計を制御して、選択されたチャネル上の各々の波形をそれぞれの選択されたサブセットの燃料電池（例えば、単一の選択された燃料電池）からマトリックススイッチを介して受け取り、送られた試験波形に応じて各選択されたサブセットの燃料電池のインピーダンス応答を監視することができる。このようにして、選択された燃料電池の電気化学的性質を、同じ運転環境下で、燃料電池スタック全体に送られた同じ１個の試験波形に応じて、比較し、検討することができる。一実施形態において、試験波形を全周波数掃引波形とすることができる。別の一実施形態において、試験波形を、重ね合わせ周波数、または１０ＫＨｚ、８ＫＨｚ、６ＫＨｚ、４ＫＨｚ、３ＫＨｚ、２ＫＨｚ、１ＫＨｚなどの特定の周波数領域のみを試験することができる標準周波数範囲とすることができる。特定の周波数領域の試験に焦点を合わせた試験波形の使用によって、特定の周波数および燃料流環境などの異なる環境における経時的な電気化学的パラメータの動的変化を監視することができる。
【００６５】
ブロック７１０において、制御装置は、選択されたサブセットの燃料電池の各々の特性をその燃料電池のインピーダンス応答に少なくとも部分的に基づいて求めることができる。前述したように、制御装置は、ＥＩＳ監視によって、送られた試験波形に起因する測定インピーダンスの実数部および虚数部をプロットし、プロットされたインピーダンスを特性が既知の燃料電池のインピーダンス応答の既知の特徴と比較することができる。特性が既知の燃料電池のインピーダンス応答の既知の特徴は、制御装置に利用可能なメモリに保存することができる。特性が既知の燃料電池のインピーダンス応答の保存された既知の特徴は、正常な（すなわち、損傷／劣化のない）燃料電池、並びに様々な形の損傷（例えば、アノードクラッキング）および／または劣化（例えば、燃料欠乏モードで作動する電池）を有する損傷／劣化燃料電池の試験から誘導される、正常な燃料電池および損傷／劣化燃料電池の測定インピーダンスの実数部および虚数部のプロットとすることができる。既知の特性は、メモリに保存された測定インピーダンスの実数部および虚数部のプロットと相関し得る。測定インピーダンスをインピーダンス応答の既知の特徴と照合することによって、燃料電池の電流特性または状態を、インピーダンス応答の適合する既知の特徴と相関する特性として求めることができる。
【００６６】
任意選択のブロック７１２において、制御装置は、求められた特性に基づいて燃料電池システムの設定を調節することができる。例えば、制御装置は、燃料流、空気流、燃料電池から引き出される電流、および／または燃料吸入流に流入する水を変更する（例えば、増加または減少させる）か、あるいは燃料電池システム全体または求められた特性に基づく点検もしくは交換の故障しきい値を超える電池を含むシステムのモジュール１２を停止することができる。したがって、ステップ７１２は、燃料電池システムへの燃料流量の変更、燃料電池システムへの空気流量の変更、燃料電池システムから引き出される電流量の変更、燃料吸入流に供給される水量の変更、または点検もしくは交換のための燃料電池システムの少なくとも一部の停止のいずれか１つ以上を含むことができる。このようにして、ＥＩＳ監視などのインピーダンス試験を燃料電池システムに使用して、燃料電池システムの運転を個々の燃料電池の電流特性に基づいて調節することができる。
【００６７】
本発明の実施形態のシステムおよび方法によって、インピーダンス分析をより速く、より効率的に、人の介在なしに行うことができ、同時に自動化を促進し、燃料電池選択、アップグレードおよび実行をさらに容易にすることができる。該システムおよび方法によって、システム操作者は、システム劣化パターンおよび集団環境における集団運転中の燃料電池スタック部品の調子をより速く理解することもできる。このシステムおよび方法によって、システム操作者は、集団における燃料電池の急停止中の燃料電池の電気化学的パラメータを理解することもできる。
【００６８】
ＥＩＳ監視を使用して、燃料電池システムにおける１個以上の燃料電池に関する種々のパラメータおよびデータを得ることができる。特に、ＥＩＳを使用して、燃料電池システムにおける電圧損失または分極の原因を特定することができ、損失を最小限にすることができる。分極にはオーム分極、活性化分極および濃度分極の３つの主要なタイプがある。オーム分極は、電解質を介して伝導するイオンのオーム抵抗に起因する。活性化分極は、アノードおよびカソードにおける電気化学的活性化障壁に起因する。濃度分極は、ガスがアノードおよびカソードを通って高速で拡散できないことに起因する。濃度分極の程度は、燃料電池の３相境界（すなわち、燃料が利用される領域）における反応物の利用能に主に基づく。
【００６９】
ＥＩＳ分析計を使用して、燃料電池システムの電圧損失に対する様々な分極の寄与を明らかにすることができる。例えば、ＥＩＳ分析計は、１個以上の燃料電池のオーム抵抗、したがってオーム分極を求めることができる。別の一例において、ＥＩＳ分析計は、１個以上の燃料電池の燃料利用率、したがって濃度分極を求めることができる。しかし、これらのパラメータを得るには、通常、ＥＩＳ分析計を用いて広範な周波数掃引を行う必要がある（例えば、１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚ）。収集データを使用して、電気化学的回路モデルを構築し、分極の各々の推定値を回路モデルから計算する。しかし、このプロセスは、複雑であり、終了するのにやや時間がかかることもある。オームおよび濃度分極を含めた分極値は、単一周波数ＥＩＳ測定または限定周波数範囲ＥＩＳ測定によって得られることが好ましい。これによって、測定を迅速に終了することができ、これを使用して、燃料電池システムにおける動的調節をオームまたは濃度分極の値に基づいて実行することができる。これによって、燃料電池システムの効率の最適化が可能になり、燃料電池システムに生じる問題の臨時的な補正が可能になる。
【００７０】
本願明細書に記載した種々の実施形態では、燃料電池システムにおける１個以上の燃料電池の燃料利用率、したがって濃度分極を単一周波数ＥＩＳ測定のみによって測定する方法を開示する。燃料電池システムの燃料利用率は、燃料電池から引き出される電流、燃料電池のインピーダンスの虚数部、燃料電池の温度、空気利用率、および様々な他の運転パラメータを含めて、いくつかの変数に依存し得る。したがって、燃料電池の仮想インピーダンスは、ＥＩＳ分析計によって燃料電池に適用される周波数を変えることによって変動し得るが、燃料利用率に対するインピーダンスの効果を、燃料利用率にやはり影響する他のパラメータから分離するのは困難な場合がある。
【００７１】
図８は、燃料電池セット（例えば、燃料電池モジュール、カラムまたはセグメント）にＥＩＳ分析計によって適用された周波数と、ＥＩＳ分析計によって測定された仮想インピーダンスの対応する値をプロットした対数グラフ８００である。グラフ８００は、３つのプロット８０２ａ〜８０２ｃを含み、各プロットは既知の燃料利用率に対応する。例えば、プロット８０２ａの燃料利用率を９０％とすることができ、プロット８０２ｂの燃料利用率を８６％とすることができ、プロット８０２ｃの燃料利用率を８３％とすることができる。高い周波数値（例えば、１０Ｈｚを超える周波数）では、グラフ８００は、プロット８０２ａ〜８０２ｃの仮想インピーダンス値がほとんど変化せず、仮想インピーダンス値が燃料利用率値に強く依存しないことを意味する。しかし、低周波数（例えば、１Ｈｚ〜１０Ｈｚの周波数範囲８０４）では、プロット８０２ａ〜８０２ｃの仮想インピーダンス値が異なる。これは、仮想インピーダンス値が低周波数において燃料利用率値に強く依存することを意味する。したがって、例えば周波数８０６における、単一低周波数ＥＩＳ測定によって、燃料利用率が異なる燃料電池セットを区別することができ、やはり燃料利用率に影響する別のパラメータから相関性を分離することができる。例えば、周波数８０６において、仮想インピーダンスは、燃料利用率および燃料電池セットから引き出される電流のみに依存し、温度、空気利用率などのパラメータに依存しない可能性がある。
【００７２】
グラフ８００は、ある範囲の周波数、例えば全周波数掃引をＥＩＳ分析計によって１つ以上の既知の燃料利用率値において燃料電池セット（例えば、燃料電池モジュール、カラムまたはセグメント）に適用することによって得ることができる。燃料利用率値は、単一パス燃料利用率値とすることができる。単一パス燃料利用率値は、燃料電池セットを通る燃料の単一サイクル中の燃料利用率である（すなわち、燃料電池セットが、流入燃料および再循環燃料に局部的に基づいて経験するもの）。単一パス燃料利用率は、燃料電池セットの入口に（例えば、図３の加湿アノード排出流導管３１２１を通して）ポンプで戻される再循環燃料と組み合わせた、燃料電池セットに入る新しい燃料（例えば、図３において燃料吸入ライン３２９を通って入る燃料）の利用量を含み得る。ＥＩＳ分析計は、同じ燃料利用率の複数の掃引にわたって、温度、空気利用率などの運転パラメータを変えることができ、運転パラメータを変更しながら燃料電池セットの仮想インピーダンスを測定することができる。次いで、ＥＩＳ分析計または制御装置は、燃料利用率が仮想インピーダンスに高度に依存するが、他の運転パラメータには依存しない単一周波数８０６を求めることができる。この単一周波数８０６をＥＩＳ分析計によって単一周波数測定に使用して、燃料利用率の値を得ることができる。例えば、単一周波数を１Ｈｚ〜２Ｈｚとすることができる。
【００７３】
回帰モデルを作成して、ＥＩＳ分析計によって得られたデータを用いて仮想インピーダンスと燃料利用率の関係を求めることができる。例えば、モデルは、燃料電池セットから引き出される電流、および単一の特定の振動数における燃料電池セットの仮想インピーダンスデータを入力として採用することができる。この周波数において、燃料電池セットの燃料利用率は、仮想インピーダンスおよび電流に高度に依存するが、別の運転パラメータには依存しない。回帰モデルの出力は、百分率として表される単一パス燃料利用率とすることができる。回帰モデルから誘導される式の一例を以下に示す。
2018526785.tif 000003
この式中、ＳＰＵは燃料電池セットの単一パス燃料利用率であり、Ｉは燃料電池セットから引き出されるアンペア単位の電流であり、Ｚｉはオームｃｍ2単位の仮想インピーダンスであり、Ｎは燃料電池セットの燃料電池の数であり、ａ１、ｂ１、ｃ１、ａ２、ｂ２およびｃ２は、特定の燃料電池システムに依存する定数である。導出される燃料電池セットの燃料利用率を燃料電池システム全体または燃料電池システム内の燃料電池サブセットに乗法係数を用いて外挿することができる。
【００７４】
回帰モデルおよび式を求めた後、仮想インピーダンスと燃料利用率の関係を参照表、グラフまたは別のタイプのデータとして燃料電池システムの制御装置のメモリに保存することができる。したがって、特定の周波数において仮想インピーダンスを燃料利用率に関係づける回帰モデルを、それぞれの特定のタイプの燃料電池システムについて作成し、保存することができる。その後、データを使用して、燃料電池システムの単一周波数ＥＩＳ測定によって、現在の燃料利用率値を得ることができる。これによって、燃料電池システムは、燃料電池システムの現在の燃料電池利用率を動的に推定し、それに応じて作動することができる。
【００７５】
図９は、燃料電池システムを監視する方法９００を示す。方法９００は、燃料電池システムを制御する制御装置、例えば、図４の制御装置４１２および／またはコンピュータ４１１によって実施することができる。燃料電池システムは、図４のＥＩＳ分析計４０４を備えたシステム４００などのＥＩＳ分析計を備える。ＥＩＳ分析計は、燃料電池セットの燃料電池モジュール、カラム、セグメントなどの燃料電池上でＥＩＳ測定を行うように構成することができる。求めた燃料利用率は、燃料電池セットの単一パス燃料利用率であり得る。燃料電池システムは、マトリックススイッチ４０２を含むこともできる。しかし、マトリックススイッチを用いても用いなくても、任意の適切なＥＩＳ分析計を方法９００に関連して使用することができる。
【００７６】
ブロック９０２において、制御装置は、燃料電池セットに適用する単一周波数を決定することができ、燃料電池セットの燃料利用率は、単一周波数における仮想インピーダンスに高度に依存する。単一周波数は、図８を参照して前述したように決定することができる。例えば、ＥＩＳ分析計は、ある範囲の周波数をいくつかの既知の燃料利用率値で燃料電池セットに適用することができる。燃料電池システムのＥＩＳ分析計および制御装置は、周波数範囲の各周波数において、燃料電池セットの運転パラメータを変えることができ、周波数範囲の各周波数において、複数の既知の燃料利用率値の各々に対して、運転パラメータを変更しながら燃料電池セットの仮想インピーダンスを測定することができる。次いで、ＥＩＳ分析計または制御装置は、複数の既知の燃料利用率値が仮想インピーダンスに高度に依存し、運転パラメータにあまり依存しない周波数範囲の周波数として単一周波数を決定することができる。単一周波数は、１Ｈｚ〜２Ｈｚとすることができる。あるいは、単一周波数を前もって決定して、メモリに保存することができ、制御装置は、ブロック９０２においてメモリにアクセスして単一周波数を得ることができる。
【００７７】
ブロック９０４において、制御装置は、単一周波数において燃料電池セットから引き出される電流を求めることができる。ブロック９０６において、制御装置は、仮想インピーダンスをＥＩＳ分析計で測定することによって、単一周波数における燃料電池セットの仮想インピーダンスを求めることができる。ＥＩＳ分析計は、全インピーダンスを測定し、インピーダンスの虚数部を分離することによって、仮想インピーダンス測定を行うことができる。
【００７８】
ブロック９０８において、制御装置は、単一周波数における測定された仮想インピーダンスおよび電流から燃料電池セットの燃料利用率または濃度分極を求めることができる。制御装置は、仮想インピーダンスと燃料利用率の関係を定義する回帰モデル、またはグラフ、参照表などの回帰モデルから誘導される任意の形のデータを利用することができる。求めた燃料利用率は、燃料電池セットの単一パス燃料利用率であり得る。あるいは、制御装置は、燃料電池セットの燃料利用率または濃度分極を求めず、代わりに、測定された仮想インピーダンスを使用して、補正処置が必要であるかどうかを判定することができる（すなわち、ブロック９０８の操作を省略する）。
【００７９】
判定ブロック９１０において、制御装置は、導出された燃料利用率または濃度分極がしきい値と交差するかどうかを判定することができる。しきい値は、望ましくない濃度分極または電圧損失レベルとすることができる。あるいは、制御装置は、測定された仮想インピーダンスがしきい値と交差するかどうかを判定ブロック９１０において判定することができる（すなわち、仮想インピーダンスから燃料利用率または濃度分極への変換を省略する）。導出された燃料利用率、濃度分極または仮想インピーダンスがしきい値と交差しない（すなわち、判定ブロック９１０＝「Ｎｏ」）という判定に応答して、制御装置は、燃料電池セットの出力電流（すなわち、燃料電池セットから引き出される電流）および仮想インピーダンスをブロック９０４および９０６において引き続き測定することができる。換言すれば、制御装置は、燃料利用率値がしきい値よりも低くなるまでそれを監視し続けることができる。
【００８０】
導出された燃料利用率、濃度分極または仮想インピーダンスがしきい値と交差する（すなわち、判定ブロック９１０＝「Ｙｅｓ」）という判定に応答して、制御装置はブロック９１２において補正処置を開始することができる。補正処置として、スタック回復シークエンスを開始すること、燃料電池システムに供給される燃料を変えること（例えば、図３のアノード再循環ブロワ３１２３の出力を増加させることによって、燃料電池セットに供給される燃料の量および／または再循環燃料の量を増加させること）、燃料電池セットからの出力電流を変えること、燃料電池システム中の様々な部品を調節すること（例えば、空気ブロワの速度を変えて入力空気の量を変更することなど、図３に示した部品）、および／または操作者が処置を取るように警告を発することなどが挙げられる。このようにして、方法９００は、燃料電池セットの燃料利用率を動的に推定し、必要に応じて補正処置をとって、濃度分極による過剰な電圧損失を相殺する方法を提供する。
【００８１】
ＥＩＳ測定を使用して、燃料電池システムのオーム抵抗、したがってオーム分極による電圧損失を推定することもできる。本願明細書に記載した種々の実施形態では、燃料電池システムにおける１個以上の燃料電池のオーム抵抗を、限定周波数範囲ＥＩＳ測定のみによって測定する方法を開示する。燃料電池システムのオーム抵抗は、燃料電池のインピーダンスの実数部、燃料電池の温度、空気利用率、および様々な別の運転パラメータを含めて、いくつかの変数に依存し得る。したがって、燃料電池のインピーダンスは、ＥＩＳ分析計によって燃料電池に適用される周波数を変えることによって変動し得るが、オーム抵抗に対するインピーダンスの効果を、オーム抵抗にやはり影響する他のパラメータから分離するのは困難な場合がある。
【００８２】
図１０は、燃料電池セット（例えば、燃料電池モジュール、カラムまたはセグメント）にＥＩＳ分析計によって適用された周波数と、各燃料電池の作用面積を掛けたＥＩＳ分析計によって測定された実際のインピーダンスの対応する値とをプロットした対数グラフ１０００である。限定周波数範囲１００２（例えば、１０Ｈｚ〜１ｋＨｚ）において、実際のインピーダンス対周波数のプロットは、ある傾きを有する。しかし、異なる周波数範囲１００４（例えば、１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）を燃料電池システムの定常状態運転中の目的周波数範囲とすることができる。目的周波数範囲１００４において、実際のインピーダンス対周波数の傾きは、限定周波数範囲１００２における傾きと類似し得る。より低い周波数におけるＥＩＳインピーダンス測定値を得ることはより容易であり得るので、限定周波数範囲１００２におけるプロットの傾きを利用して、目的周波数範囲１００４における実際のインピーダンスについての情報を、例えば対数適合式の外挿によって、得ることができる。例えば、燃料電池が配置された領域に置かれたＤＣ／ＤＣ変換器において燃料電池セットに対してのみＥＩＳ測定を行うことができる。ＥＩＳ分析計は、ＤＣ／ＤＣ変換器における限定周波数範囲１００２でのみ測定可能とすることができ、したがって、目的周波数範囲１００４をその領域で測定することができない。
【００８３】
限定周波数範囲１００２は、広範な周波数掃引にわたってＥＩＳ分析計で燃料電池セットの実際のインピーダンスをプロットすることによって得ることができる。限定周波数範囲は、実際のインピーダンス対周波数の傾きが、実際のインピーダンス対目的周波数範囲の周波数の傾きと実質的に同じである周波数範囲とすることができる。限定周波数範囲１００２において、燃料電池セットの実際のインピーダンスは、燃料利用率、空気利用率などの燃料電池システムの運転パラメータにあまり依存しない可能性がある。燃料電池システムの制御装置は、限定周波数範囲１００２にわたる実際のインピーダンス測定を利用して、目的周波数範囲１００４の周波数に対する実際のインピーダンス、したがってオーム抵抗を求めることができる。
【００８４】
制御装置は、ＥＩＳ分析計によって特定の周波数範囲で測定された実際のインピーダンスと、特定の周波数範囲外の周波数における実際のインピーダンスとの関係を求めることができる。制御装置は、限定周波数範囲１００２の周波数と実際のインピーダンスの関係を記述する対数または線形適合式を導き出すことができる。特定の傾きを有するこの式を使用して、目的周波数範囲１００４の周波数における実際のインピーダンスを推定することができる。対数適合式の一例を以下に示す。
Ｚｒ＝ｓ＊ｌｎ（ｆ）＋ｂ
式中、Ｚｎは実際のインピーダンスであり、ｆはＨｚ単位の周波数であり、ｓおよびｂは特定の燃料電池システムに依存する定数である。定数ｓは、限定周波数範囲１００２における周波数と実際のインピーダンスのプロットの傾きである。限定周波数範囲１００２における傾きは、目的周波数範囲１００４における傾きと実質的に類似し得るので、前述した式を使用して、目的周波数範囲１００４におけるＥＩＳ測定を行わずに、目的周波数範囲１００４の周波数の実際のインピーダンスを求めることができる。
【００８５】
図１１は、燃料電池システムを監視する方法１１００を示す。方法１１００は、燃料電池システムを制御する制御装置、例えば、図４の制御装置４１２および／またはコンピュータ４１１によって実施することができる。燃料電池システムは、図４のＥＩＳ分析計４０４を備えたシステム４００などのＥＩＳ分析計４０４を備える。ＥＩＳ分析計は、燃料電池セットの燃料電池モジュール、カラム、セグメントなどの燃料電池上でＥＩＳ測定を行うように構成することができる。燃料電池システムは、マトリックススイッチ４０２を含むこともできる。しかし、マトリックススイッチを用いても用いなくても、任意の適切なＥＩＳ分析計を方法１１００に関連して使用することができる。
【００８６】
ブロック１１０２において、制御装置は、燃料電池セットに適用する第１の周波数範囲を決定することができる。燃料電池セットの実際のインピーダンス対第１の周波数範囲の周波数の傾きは、燃料電池セットの実際のインピーダンス対第１の周波数範囲の外側の第２の周波数範囲の周波数の傾きと実質的に同じであり得る。第１の周波数範囲は、限定的な低周波数範囲（例えば、１０Ｈｚ〜１０００Ｈｚ）とすることができる。第２の周波数範囲は、より高い周波数範囲（例えば、１，０００Ｈｚ〜１００，０００Ｈｚ）とすることができる。第１の周波数範囲は、図１０を参照して前述したように求めることができる。すなわち、第１の周波数範囲は、広範な周波数掃引にわたってＥＩＳ分析計で燃料電池セットの実際のインピーダンスをプロットし、次いでより高い周波数範囲に実質的に類似した実際のインピーダンス傾きを有する低周波数範囲を選択することによって得ることができる。あるいは、第１の周波数範囲を前もって決定して、メモリに保存することができ、制御装置は、ブロック１１０２においてメモリにアクセスして第１の周波数範囲を得ることができる。
【００８７】
ブロック１１０４において、制御装置は、実際のインピーダンスをＥＩＳ分析計で測定することによって、第１の周波数範囲にわたる燃料電池セットの実際のインピーダンスを求めることができる。ＥＩＳ分析計は、全インピーダンスを測定し、インピーダンスの実数部を分離することによって、実際のインピーダンス測定を行うことができる。
【００８８】
ブロック１１０６において、制御装置は、第１の周波数範囲の外側の目的周波数における燃料電池セットのオーム抵抗またはオーム分極を第１の周波数範囲にわたる測定された実際のインピーダンスから求めることができる。制御装置は、前述したように対数または線形適合式を利用して、燃料電池セットのオーム抵抗と周波数との関係を求めることができる。例えば、第１の周波数範囲にわたる測定された実際のインピーダンスを使用して、対数適合式を導き出すことができ、式の傾きは、実際のインピーダンスと第１の周波数範囲の外側の周波数、特に目的周波数との関係の傾きと実質的に類似している。目的周波数は、第２の周波数範囲内とすることができる。第１の周波数範囲は、その領域でＥＩＳ分析計によって測定することができる周波数範囲であり、第２の周波数範囲は、オーム分極を求めることができる周波数範囲とすることができる。制御装置は、グラフ、参照表などの対数適合式から誘導される任意の形のデータを利用して、測定された実際のインピーダンスから燃料電池セットのオーム抵抗を求めることもできる。あるいは、制御装置は、燃料電池セットのオーム抵抗またはオーム分極を求めず、代わりに、測定された実際のインピーダンスを使用して、補正処置が必要であるかどうかを判定することができる（すなわち、ブロック１１０６の操作を省略する）。
【００８９】
判定ブロック１１０８において、制御装置は、導出されたオーム抵抗またはオーム分極がしきい値と交差するかどうかを判定することができる。しきい値は、望ましくないオーム分極または電圧損失レベルとすることができる。あるいは、制御装置は、測定された実際のインピーダンスがしきい値と交差するかどうかを判定ブロック１１０８において判定することができる（すなわち、実際のインピーダンスからオーム抵抗またはオーム分極への変換を省略する）。導出されたオーム抵抗、オーム分極または実際のインピーダンスがしきい値と交差しない（すなわち、判定ブロック１１０８＝「Ｎｏ」）という判定に応答して、制御装置は、燃料電池セットの実際のインピーダンスをブロック１１０４において引き続き測定することができる。換言すれば、制御装置は、オーム抵抗値がしきい値と交差するまでそれを監視し続けることができる。
【００９０】
導出されたオーム抵抗、オーム分極、または実際のインピーダンスがしきい値と交差する（すなわち、判定ブロック１１０８＝「Ｙｅｓ」）という判定に応答して、制御装置はブロック１１１０において補正処置を開始することができる。補正処置として、スタック回復シークエンスを開始すること、燃料電池システムに供給される燃料を変えること、燃料電池セットからの出力電流を変えること、燃料電池システム中の様々な部品を調節すること（例えば、空気ブロワの速度を変えて入力空気の量を変更することなど、図３に示した部品）、および／または操作者が処置を取るように警告を発することなどが挙げられる。このようにして、方法１１００は、燃料電池セットのオーム抵抗を動的に推定し、必要に応じて補正処置をとって、オーム分極による過剰な電圧損失を相殺する方法を提供する。一部の実施形態において、方法１１００と方法９００を同時に実施することができる（すなわち、燃料利用率とオーム抵抗の両方をＥＩＳインピーダンス測定から求めることができる）。
【００９１】
図１２は、燃料電池システムを監視する方法１２００を示す。方法１２００は、燃料電池システムを制御する制御装置、例えば、図４の制御装置４１２および／またはコンピュータ４１１によって実施することができる。燃料電池システムは、図４のＥＩＳ分析計４０４を備えたシステム４００などのＥＩＳ分析計４０４を備える。ＥＩＳ分析計は、燃料電池セットの燃料電池モジュール、カラム、セグメントなどの燃料電池上でＥＩＳ測定を行うように構成することができる。燃料電池システムは、マトリックススイッチ４０２を含むこともできる。しかし、マトリックススイッチを用いても用いなくても、任意の適切なＥＩＳ分析計を方法１２００に関連して使用することができる。
【００９２】
ブロック１２０２において、制御装置は、燃料電池セットのインピーダンスを電気化学インピーダンス分光法によって求めることができる。測定は、単一周波数および／または周波数の部分的範囲において行うことができる。燃料電池セットの濃度分極は、単一周波数における仮想インピーダンスに依存し得るが、燃料電池セットのオーム分極は、インピーダンスの実数部と周波数の部分的範囲との関係から求められる。
【００９３】
ブロック１２０４において、制御装置は、求められたインピーダンスから燃料電池セットのオーム分極および濃度分極を求めることができる。濃度分極は、単一周波数において求めたインピーダンスの虚数部から求めることができる。例えば、制御装置は、仮想インピーダンスと濃度分極との関係を定義する回帰モデルを利用するか、またはグラフ、参照表などの回帰モデルから誘導される任意の形のデータを利用することができる。オーム分極は、周波数の部分的範囲において求めたインピーダンスの実数部から求めることができる。例えば、制御装置は、対数適合式を利用して、燃料電池セットのオーム分極と周波数との関係を求めるか、またはグラフ、参照表などの対数適合式から誘導される任意の形のデータを利用することができる。
【００９４】
判定ブロック１２０６において、制御装置は、オーム分極を第１のしきい値と比較し、濃度分極を第２のしきい値と比較して、どちらかのパラメータがそれぞれのしきい値と交差するかどうかを判定することができる。第１のしきい値を望ましくないオーム分極または電圧損失レベルとすることができ、第２のしきい値を望ましくない濃度分極または電圧損失レベルとすることができる。オーム分極も濃度分極もそれぞれのしきい値と交差しない（すなわち、判定ブロック１２０６＝「Ｎｏ」）という判定に応答して、制御装置は、燃料電池セットのインピーダンスを引き続き求めることができる。換言すれば、制御装置は、オーム分極と濃度分極のどちらか一方がそれぞれのしきい値と交差するまで、オーム分極および濃度分極を監視し続けることができる。
【００９５】
オーム分極もしくは濃度分極またはその両方がそれぞれのしきい値と交差する（すなわち、判定ブロック１２０６＝「Ｙｅｓ」）という判定に応答して、制御装置はブロック１２０８において補正処置を開始することができる。補正処置として、スタック回復シークエンスを開始すること、燃料電池システムに供給される燃料を変えること（例えば、図３のアノード再循環ブロワ３１２３の出力を増加させることによって、燃料電池セットに供給される燃料の量および／または再循環燃料の量を増加させること）、燃料電池セットからの出力電流を変えること、燃料電池システム中の様々な部品を調節すること（例えば、空気ブロワの速度を変えて入力空気の量を変更することなど、図３に示した部品）、および／または操作者が処置を取るように警告を発することなどが挙げられる。このようにして、方法１２００は、燃料電池セットのオームおよび濃度分極を動的に推定し、必要に応じて補正処置をとって、オームまたは濃度分極による過剰な電圧損失を相殺する方法を提供する。
【００９６】
前述した方法の記述および図は、単に説明のための例として提供するものであり、種々の実施形態のステップを示した順序で実施しなければならないことを必要とすることや、あるいは意味することを意図したものではない。当業者であれば理解できるように、前述した実施形態におけるステップの順序は、任意の順序で実施することができる。さらに、「その後」、「次いで」、「次に」などの語は、ステップの順序を限定することを意図したものではなく、これらの語は、単に方法の記述を通して読者を導くために使用される。
【００９７】
１つ以上の図を使用して、例示的な実施形態を記述した。図の使用は、実施した操作の順序に関して限定することを意味するものではない。例示的な実施形態の前の記述は、説明および記述のためのものである。それは、網羅的であることを意図したものではなく、開示した正確な形態に関して限定することを意図したものでもなく、改変および変更が、前述したような教示に照らして可能であり、開示した実施形態の実施から得られる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義されるものとする。
【００９８】
制御要素は、プロセッサ、メモリおよび特定の機能を実施する命令をプログラムされた別の部品を備える計算装置（コンピュータなど）を用いて実行することができ、特定の機能を実施するように設計されたプロセッサで実行することができる。プロセッサは、本願明細書に記載した種々の実施形態の機能を含めて、多様な機能を果たすようにソフトウェア命令（アプリケーション）によって設定することができる、任意のプログラム可能なマイクロプロセッサ、マイクロコンピュータまたはマルチプロセッサチップ（単数または複数）とすることができる。一部の計算装置において、複数のプロセッサを備えることができる。一般に、ソフトウェアアプリケーションは、アクセスして、プロセッサにロードする前に、内部メモリに保存することができる。一部の計算装置において、プロセッサは、アプリケーションソフトウェア命令を保存するのに十分な内部メモリを備えることができる。
【００９９】
本願明細書に開示した実施形態に関連して記述した種々の説明のための論理ブロック、モジュール、回路およびアルゴリズムステップは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェアまたはその両方の組み合わせとして実行することができる。ハードウェアとソフトウェアのこの互換性を明瞭に説明するために、種々の説明のための部品、ブロック、モジュール、回路およびステップをそれらの機能性に関して全般的に前述した。こうした機能性がハードウェアまたはソフトウェアとして実行されるかどうかは、システム全体に課される特定のアプリケーションおよび設計上の制約に依存する。当業者であれば、記述した機能性を各特定のアプリケーションのための種々の方法で実行することができるが、こうした実行の決定が本発明の範囲から逸脱すると解釈すべきではない。
【０１００】
本願明細書に開示した態様に関連して記述した種々の説明のための論理、論理ブロック、モジュールおよび回路の実行に使用されるハードウェアは、本願明細書に記載した機能を果たすように設計された、汎用プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）もしくは別のプログラム可能な論理装置、分離したゲートもしくはトランジスタ論理、分離したハードウェア部品、またはそれらの任意の組み合わせで実行または実施することができる。汎用プロセッサをマイクロプロセッサとすることができ、あるいはプロセッサを任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラまたは状態機械とすることができる。プロセッサは、計算装置の組み合わせ、例えば、ＤＳＰとマイクロプロセッサの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと連結された１個以上のマイクロプロセッサ、または任意の他のこうした構成として実行することもできる。あるいは、一部のブロックまたは方法は、所与の機能向けの回路網によって実施することができる。
【０１０１】
開示した実施形態の前の記述は、当業者が前述した実施形態を成すか、または使用できるようにするものである。これらの実施形態の種々の改変が当業者であれば容易に理解できるはずであり、本願明細書に定義された一般的な原理を本願明細書に開示した範囲から逸脱することなく別の実施形態にも適用することができる。したがって、本発明は、本願明細書に示した実施形態に限定されることを意図したものではなく、添付の特許請求の範囲並びに本願明細書に開示した原理および新規な特徴と矛盾しない最も広い範囲が付与されるべきである。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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