(57)【要約】【課題】燃料電池セル・スタックを最大電力付近で安全に動作させることができ、同時に燃料電池セルの老化の結果としての電力劣化が定電圧への調節の場合より小さい、燃料電池セル・スタックを調節するための方法及び調節装置を提供すること。【解決手段】燃料電池セル・スタック１を調節するための方法において、燃料電池セル・スタックの電流−電圧特性を検出及び評価し、燃料電池セル・スタックの動作点を決定し、燃料電池セル・スタック１の電流−電圧特性が、動作時に時間間隔をおいて検出され、その勾配が最小を有し、勾配の最小の特性値Ｒｍｉｎが、検出された電流−電圧特性からそれぞれ決定され、その特性値に事前に決められたオフセット値Ｒｏｆｆｓｅｔを加算することによって、動作点の所望の値が決定され、燃料電池セル・スタック１が、このようにして決定された所望の値を使用して調節される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セル又は燃料電池セル・スタック（１）を調節するための方法であって、前記燃料電池セル又は前記燃料電池セル・スタックの電流−電圧特性を検出及び評価し、前記燃料電池セル又は前記燃料電池セル・スタックの動作点を決定する、方法において、
前記燃料電池セル又は前記燃料電池セル・スタック（１）の電流−電圧特性が、動作時に時間間隔をおいて検出され、その勾配が最小を有すること、前記勾配の前記最小の値又は前記勾配の前記最小に関連する値（Ｒｍｉｎ）が、前記検出された電流−電圧特性からそれぞれ決定されること、
特に前記決定された値に事前に決められたオフセット値（Ｒｏｆｆｓｅｔ）を加算することにより、前記決定された値を事前に決められたオフセット値と数学的にリンクすることによって、前記動作点の所望の値が決定されること、及び
前記燃料電池セル又は前記燃料電池セル・スタック（１）が、このようにして決定された前記所望の値を使用して調節されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記燃料電池セル又は前記燃料電池セル・スタックが、前記燃料電池セル又は前記燃料電池セル・スタック（１）の出力（９）に接続される調節可能なコンシューマ（３）又は調節可能な電流シンクを介して調節される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記調節可能なコンシューマ（３）が、その出力を電力グリッド（３’）に接続可能である電圧変換器又はインバータである、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記勾配の前記最小のための前記値が、前記勾配の前記最小における前記燃料電池セル又は前記燃料電池セル・スタックの内部抵抗又は面積抵抗率（ＡＳＲ）であり、或いは、前記勾配の前記最小に関連する前記値（Ｒｍｉｎ）が、場合によって前記勾配の前記最小における前記燃料電池セル又は前記燃料電池セル・スタックの内部抵抗又は面積抵抗率の値にリンクされる、請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記勾配の前記最小のための前記値又は前記勾配の前記最小に関連する値（Ｒｍｉｎ）が、前記電流−電圧特性から特に数値的に、又は前記電流−電圧特性からの数学的導出によって決定される、請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記燃料電池セル又は前記燃料電池セル・スタックが、電圧制御、すなわちセル電圧又は出力電圧の所望の値（Ｕｓｏｌｌ）で調節されるか、或いは電流制御、すなわち電流又は電流密度の所望の値（Ｉｓｏｌｌ）で調節される、請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
最初に、事前に決められたオフセット値（Ｒｏｆｆｓｅｔ）を前記勾配の前記最小の前記値（Ｒｍｉｎ）に、又は前記勾配の前記最小に関連する前記値（Ｒｍｉｎ）に加算することによって、和の値（ＲSｕｍｍｅ＝Ｒｍｉｎ＋Ｒｏｆｆｓｅｔ）が決定され、前記和の値に対応する値が、セル電圧若しくは出力電圧Ｕｓｏｌｌ）に関する、又は電流若しくは電流密度（Ｉｓｏｌｌ）に関する前記電流−電圧特性を用いて決定され、これが、前記燃料電池セル又は前記燃料電池セル・スタック（１）を調節するための所望の値の役割をはたす、請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記燃料電池セル又は前記燃料電池セル・スタック（１）の電流−電圧特性が、少なくとも２００時間後、又は少なくとも５００時間後、又は少なくとも１０００時間後、又は２００時間ごと、又は５００時間ごと、又は１０００時間ごとに動作時に検出され、前記所望の値は、前記検出された電流−電圧特性から再度決定される、請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法により、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタック（１）又は燃料電池セル・システムを調節するように構成された、前記燃料電池セル、前記燃料電池セル・スタック（１）、又は前記燃料電池セル・システムのための調節装置（８）
【請求項１０】
前記燃料電池セル又は前記燃料電池セル・スタック（１）の出力（９）に接続され、測定調節ユニット（６）を含み、前記測定調節ユニット（６）が、前記燃料電池セル又は前記燃料電池セル・スタックの電流−電圧特性を検出するように構成され、前記また検出された電流−電圧特性から勾配の最小の値又は勾配の最小に関連する値（Ｒｍｉｎ）を決定し、それにより、前記決定された値に事前に決められたオフセット値（Ｒｏｆｆｓｅｔ）を加算することにより、前記決定された値を事前に決められたオフセット値と数学的にリンクすることによって、動作点の所望の値を決定し、また前記燃料電池セル又は前記燃料電池セル・スタック又は前記燃料電池セル・システムを、このようにして決定された前記所望の値を使用して調節するように構成される、請求項９に記載の調節装置（８）。
【請求項１１】
前記燃料電池セル又は前記燃料電池セル・スタック（１）の出力に接続することができる調節可能なコンシューマ（３）又は調節可能な電流シンクをさらに含み、前記調節可能なコンシューマ又は前記調節可能な電流シンクを介して前記燃料電池セル又は前記燃料電池セル・スタックを調節する、請求項９又は１０に記載の調節装置。
【請求項１２】
請求項９から１１までのいずれか一項に記載の調節装置（８）を有する燃料電池セル又は燃料電池セル・スタック又は燃料電池セル・システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部又は請求項９の前提部による燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックを調節するための方法及び調節装置に関し、さらに請求項１２の前提部による燃料電池セル、燃料電池セル・スタック、及び燃料電池セル・システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セル、特にＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）タイプの高温燃料電池は、エネルギー変換によって燃料のエネルギーを利用することを可能にする。この点で、電気化学的プロセスに基づいて生成される電気エネルギーと、高温排ガスの形態で生じる熱エネルギーを共に利用することができる。２つの反応物の気体状の流れが、セルを通って別々に導かれる。特に環境の空気である第１の反応物は酸化成分を含み、第２の反応物は還元成分を含む。メタンを含有するガス（たとえば、天然ガス）が第２の反応物として使用されることが有利であり、このガスは、改質器を通って導かれてからセル内に入り、セル内で、たとえば水、また任意選択で空気を追加で供給することにより、またプロセス熱を供給しながら、水素及び一酸化炭素の還元成分に変換される。高温排ガスは、改質器内で必要とされるプロセス熱のための熱源として使用することができることが有利である。
【０００３】
燃料電池セル・バッテリを動作させるための方法は、たとえば文献ＥＰ１２０５９９３Ａ１から知られている。この方法には、電力要件に応じた燃料電池セル・バッテリの調節が記載されている。
【０００４】
実際には、燃料電池セル及び燃料電池セル・スタックは、通常、所与の燃料ガス流について達成することができる最大性能付近で動作される。というのは、燃料ガス利用がそこで最良であるからである。図１は、燃料電池セルの典型的な電力−電流曲線を示す。電流値Ｉ＝１において、１００％の使用可能な燃料ガスが消費される。最大電力Ｐｍａｘ未満では、燃料ガス利用及び電力が低下し（図１の範囲（１））、一方、最大電力より上方での動作は、アノードの電気化学的酸化により、重大な老化を拡大させる（図１の範囲（３））。安全上の理由で、通常、最大電力より少し下方の動作点が目標とされる。この動作点の選択は、図１に示されている電力曲線上の範囲（２）に対応する。
【０００５】
燃料電池セル・スタックを調節するための従来のプロセスでは、電流又は出力電圧が最大電力付近で一定に保たれる。どちらの方法でも、燃料電池セル及び燃料電池セル・スタックは、必ずしも図１に示されている理想的な範囲（２）内で動作されるとは限らない。しかし、これらの２つの方法は、技術規則の点から実現するのが容易であり、研究所内における動作条件下での測定について有能であることを示している。
【０００６】
研究所外での実際においては、動作点に影響を及ぼす一連の影響要因が研究所内ほど厳密に分かっていないため、動作条件はより複雑である。すなわち、
・  内部抵抗、又は燃料電池セル・スタックでは層抵抗：これは理想的な動作点に影響を及ぼすが、製造品質の変動により、しかしとりわけ動作時間につれて内部抵抗又は層抵抗が増大すること（燃料電池セルの老化）により、不明である。
・  変化する燃料組成（天然ガス品質）：研究所では、燃料電池セルは、通常、正確に規定された燃料ガス（たとえば、水素又はメタン）で動作され、又は天然ガスが使用されるときガス品質が監視される。研究所外では、これらの装置は、現地の天然ガス・グリッドからの天然ガスを使用して動作する。天然ガスが様々なガス源から入手されるので、組成が局地的、経時的に変動する可能性がある。
・  ガス流量計：燃料電池セル・システムに使用される流量計は、通常あまりコストのかからない流量計が使用されるので、測定精度が研究所の計器に対して劣る。
・  燃料電池セル・スタック内の漏れ：燃料電池セル・スタック内の少量の漏れにより、燃料ガスの一部が、発電に使用されないで変換される。正確な値は、動作時に不明であり、経時的に変動する可能性がある。
【０００７】
選択される動作モードとは無関係に、燃料電池セルが電力最大を超えて動作することを回避しなければならない。これは、セルの損傷を引き起こし、又は劣化速度を増大することになる。
【０００８】
使用の条件に応じて様々な調節及び制御方針が使用される。燃料電池セルを、たとえば研究所におけるのと同様に（一定の燃料ガス品質、温度、湿度など）、一定の条件下で常に動作させることができる場合、電流の調節が好ましいことになる。実例として、図２には、燃料ガス消費を考慮せずに、内部抵抗が小さい新しい燃料電池セル（特性Ｕ１（Ｉ））、及び高い内部抵抗を有する老化したセル（特性Ｕ２（Ｉ））について、電流−電圧特性が示されている。燃料電池セルの内部抵抗、又は燃料電池セル・スタックの同一のユニットの抵抗は、老化作用により経時的に増大する。
【０００９】
さらに燃料ガス消費が考慮された場合、図３に示されている電流−電圧特性Ｕ’１（Ｉ）、Ｕ’２（Ｉ）となる。劣化により、同じ電流で電圧が低下する（Ｉ１における破線）。劣化による内部抵抗の増大にもかかわらず、最大電気効率のための電流密度は、ほぼ一定のままである。したがって、図１に示されているように、セルを理想的な動作範囲内で動作させることができる。
【００１０】
燃料電池セルは、研究所外で使用する際、通常、天然ガスで動作する。天然ガスは、局地的、時間的な変動が発生するにつれて、それらの化学組成が大きく変動し得るものである。一般に、最小空気要求量（Ｌｍｉｎ、天然ガス特性）、さらにプロセスに導入されるガス量は、流量調節器がガス組成に対する依存性を有するため、燃料品質の変化に伴って変化する。したがって、電力最適点での電流もまた変化する。
【００１１】
図４は、ガス消費を考慮するが内部抵抗を考慮しない３つの電流−電圧特性Ｕ３（Ｉ）、Ｕ４（Ｉ）、Ｕ５（Ｉ）を示す。そのような特性は、熱力学的計算を用いて、またネルンスト式を用いて計算することができる。特性Ｕ３（Ｉ）では、燃料ガス流と燃料ガス品質がちょうど所望の値に対応し、特性Ｕ４（Ｉ）では、所望の値より燃料ガス流が小さい、又は燃料ガス品質が不良であり、特性Ｕ５（Ｉ）では、所望の値より燃料ガス流が大きい、又は燃料ガス品質が良好である。
【００１２】
図５では、内部抵抗及びガス消費を考慮する、対応する特性Ｕ’３（Ｉ）、Ｕ’４（Ｉ）、Ｕ’５（Ｉ）が示されている。この場合、定電圧での調節（Ｕ１における破線）の方が、定電流での調節より好ましいことになる。というのは、セル電圧が０．６Ｖ未満の臨界範囲に入らないことが確実になるからである。０．６Ｖのセル電圧未満では、ニッケルの酸化電位がこの範囲内にあるため、アノードが電気化学的に再酸化する危険があり、セルの損傷を引き起こす。
【００１３】
しかし、一定出力電圧での調節には、燃料電池セルの老化の結果として、電流、したがって燃料ガス利用が低下し、動作期間が増すにつれて、電力劣化が定電流での調節の場合より高くなるという欠点がある（図３の破線参照）。
【００１４】
燃料電池セル・スタックの老化によって誘発される劣化、及び天然ガスの組成の変動は不可避の限界条件である。したがって、定電圧への調節も定電流への調節も、天然ガスを使用して動作される燃料電池セル・システムにとって理想的な解決策ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】ＥＰ１２０５９９３Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックを最大電力付近で安全に動作させることができ、同時に燃料電池セルの老化の結果としての電力劣化が定電圧への調節の場合より小さい、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックを調節するための方法及び調節装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この目的は、請求項１に規定された方法によって、また請求項９に規定された調節装置によって、さらには請求項１２に規定された燃料電池セル、燃料電池セル・スタック、及び燃料電池セル・システムによって満足される。
【００１８】
燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックを調節するための本発明による方法では、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックの電流−電圧特性を検出及び評価し、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックの動作点を決定する。この方法は、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックの電流−電圧特性が、動作時の時間間隔で検出され、その勾配が最小値を有すること、勾配の最小の値又は勾配の最小に関連する値Ｒｍｉｎが、検出された電流−電圧特性からそれぞれ決定されること、たとえば決定された値に事前に決められたオフセット値Ｒｏｆｆｓｅｔを加算することによって、又は事前に決められたオフセット値との乗算によって、決定された値を事前に決められたオフセット値と数学的にリンクすることにより、動作点のために所望の値が決定されること、及び燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックが、このようにして決定された所望の値を使用して調節されることを特徴とする。
【００１９】
燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックは、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックの出力に接続される調節可能なコンシューマ（ｒｅｇｕｌａｂｌｅ  ｃｏｎｓｕｍｅｒ）又は調節可能な電流シンクを介して調節されることが有利であり、調節可能なコンシューマは、たとえば燃料電池セル内で生成された電流を電力グリッドに供給するように、その出力を電力グリッドに接続することができる電圧変換器又はインバータとすることができる。
【００２０】
勾配の最小の値は、たとえば勾配の最小における燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックの内部抵抗又は面積抵抗率（ＡＳＲ／Ａｒｅａ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）とすることができ、或いは、勾配の最小に関連する値Ｒｍｉｎは、場合によって、勾配の最小における燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックの内部抵抗又は面積抵抗率の値にリンクさせることができる。面積抵抗率は、内部抵抗に燃料電池セルの電気化学的に活性な面積を乗じるということで、又は燃料電池セル・スタックの同一のユニットの内部抵抗に同一のユニットの電気化学的に活性な面積を乗じるということで、燃料電池セルの内部抵抗から計算される。
【００２１】
勾配の最小の値又は勾配の最小に関連する値Ｒｍｉｎが、電流−電圧特性からたとえば数値的に、又は電流−電圧特性の数学的導出によって数学的に決定されることが有利である。
【００２２】
有利な変形形態では、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックは、電圧制御、すなわちセル電圧又は出力電圧の所望の値Ｕｓｏｌｌで調節されるか、或いは電流制御、すなわち電流又は電流密度の所望の値Ｉｓｏｌｌで調節される。
【００２３】
有利な実施例では、最初に、事前に決められたオフセット値Ｒｏｆｆｓｅｔを、勾配の最小の値Ｒｍｉｎに、又は勾配の最小に関連する値Ｒｍｉｎに加算することによって、和の値ＲSｕｍｍｅ＝Ｒｍｉｎ＋Ｒｏｆｆｓｅｔが決定され、その和の値に対応する値が、セル電圧若しくは出力電圧Ｕｓｏｌｌに関する、又は電流若しくは電流密度Ｉｓｏｌｌに関する電流−電圧特性を用いて決定され、これは、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックを調節するための所望の値の役割をはたす。
【００２４】
他の有利な実施例では、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックの電流−電圧特性が、少なくとも２００時間後、又は少なくとも５００時間後、又は少なくとも１０００時間後、又は２００時間ごと、又は５００時間ごと、又は１０００時間ごとに動作時に検出され、所望の値は、それぞれの検出された電流−電圧特性から再度決定される。
【００２５】
燃料電池セル、燃料電池セル・スタック、又は燃料電池セル・システムのための本発明による調節装置は、上述の方法の１つ、又は関連の実施例及び変形形態の１つを使用して燃料電池セル又は燃料電池セル・スタック又は燃料電池セル・システムを調節するように構成される。
【００２６】
有利な実施例では、調節装置は、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックの出力に接続され、測定調節ユニットを含み、測定調節ユニットは、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックの電流−電圧特性を検出するように構成され、また検出された電流−電圧特性から勾配の最小のための値、又は勾配の最小に関連する値Ｒｍｉｎを決定し、それにより、たとえば決定された値に事前に決められたオフセット値Ｒｏｆｆｓｅｔを加算することによって、又は事前に決められたオフセット値との乗算によって、決定された値を事前に決められたオフセット値と数学的にリンクすることにより、動作点のための所望の値を決定し、また燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックを、このようにして決定された所望の値を使用して調節するように構成される。
【００２７】
他の有利な実施例では、調節装置は、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックの出力に接続することができる調節可能なコンシューマ又は調節可能な電流シンクを含み、調節可能なコンシューマ又は調節可能な電流シンクを介して燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックを調節する。
【００２８】
さらに、本発明は、上記の説明による調節装置又は調節装置の実施例を有する燃料電池セル又は燃料電池セル・スタック又は燃料電池セル・システムを含む。
【００２９】
本発明による、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックを調節するための方法及び調節装置、並びに燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックは、燃料電池セルの老化、燃料の量、燃料品質、及び何らかの漏れなど影響要因が電流−電圧特性の勾配曲線にマッピングされるので、動作条件が経時的に変動する場合でさえ、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックを確実に動作させることができるという利点を有する。さらなる利点は、内部抵抗が変化したとき、調節のための所望の電圧が本発明による方法及び調節装置によって適合されるので、燃料電池セルの老化の結果としての電力劣化が定電圧を使用する調節の場合より小さいことである。
【００３０】
上記の実施例及び変形形態の説明は、実例を供給するにすぎない。他の有利な実施例が従属請求項から、また図面から理解できる。さらに、述べられている、又は図の実施例及び変形形態からの個々の特徴もまた、本発明の枠組み内で互いに組み合わせることができ、新しい実施例を形成することができる。
【００３１】
以下、本発明について、実施例及び図面を参照してより詳細に述べる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】燃料電池セルの典型的な電力−電流曲線である。
【図２】ガス消費を考慮しない２つの異なる内部抵抗についての燃料電池セルの２つの典型的な電流−電圧特性である。
【図３】ガス消費を考慮した２つの異なる内部抵抗についての燃料電池セルの２つの典型的な電流−電圧特性である。
【図４】内部抵抗を考慮しない３つの異なる燃料ガス流又は燃料ガス品質についての燃料電池セルの３つの典型的な電流−電圧特性である。
【図５】内部抵抗を考慮した３つの異なる燃料ガス流又は燃料ガス品質についての燃料電池セルの３つの典型的な電流−電圧特性である。
【図６】燃料電池セルの面積抵抗率（ＡＳＲ）の典型的な曲線である。
【図７】新しい燃料電池セル及び老化した燃料電池セルの典型的なＡＳＲ曲線である。
【図８】２つの異なる燃料ガス流量又は燃料ガス品質がある、燃料電池セルの典型的なＡＳＲ曲線である。
【図９】本発明による調節装置の一実施例を有する燃料電池セル・スタックである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図９は、本発明による調節装置９の一実施例を有する燃料電池セル・スタックを示す。調節装置を有する燃料電池セル・スタックの一構成もまた、以下、燃料電池セル・システムと呼ばれる。燃料電池セル・スタック１は、たとえば、典型的には６００℃から１０００℃の温度で動作されるＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）タイプの高温燃料電池で構成することができ、エネルギー変換によって燃料のエネルギーを利用することを可能にする。これに関して、電気化学的プロセスに基づいて生成される電気エネルギーと、高温排ガスの形態で生じる熱エネルギーを共に利用することができる。２つの反応物Ａ、Ｂの気体状の流れが、セルを通って別々に導かれる。特に環境の空気である第１の反応物Ａは酸化成分を含み、第２の反応物Ｂは還元成分を含む。
【００３４】
メタンを含有するガス（たとえば天然ガス）が第２の反応物Ｂとして使用されることが有利であり、このガスは、改質器を通って導かれてからセル内に入り、セル内で、たとえば水Ｗ、また任意選択で空気を追加で供給することにより、またプロセス熱を供給しながら、水素及び一酸化炭素の還元成分に変換される。高温排ガスは、改質器内で必要とされるプロセス熱のための熱源として使用することができることが有利である。
【００３５】
燃料電池セル・スタック１は、一般に、燃料電池セル・スタックの高温排ガスから熱を抽出することができる熱交換器２に接続される。熱交換器２は、加熱回路２’に接続されることが有利である。その後、排ガスＣを自由大気内に導くことができ、又は排ガス内の残留酸素を、図９に示されていない追加のバーナ内で利用することができる。
【００３６】
図の実施例では、調節装置８が燃料電池セル・スタック１の出力９に接続されている。調節装置８は測定調節ユニット６を含み、測定調節ユニット６は、いくつかの時間間隔で、その勾配が最小を有する燃料電池セル・スタックの電流−電圧特性を、たとえば電流センサ４及び電圧センサ５によって検出するように構成され、また検出された電流−電圧特性から勾配の最小の値又は勾配の最小に関連する値Ｒｍｉｎを決定し、それにより、たとえば決定された値に事前に決められたオフセット値Ｒｏｆｆｓｅｔを加算することにより、決定された値を事前に決められたオフセット値と数学的にリンクすることによって、動作点の所望の値を決定し、またこのようにして決定された所望の値を使用して燃料電池セル・スタック１を調節するように構成される。
【００３７】
有利な実施例では、調節装置８は、燃料電池セル・スタックの出力９に接続される調節可能なコンシューマ又は調節可能な電流シンク３をさらに含み、調節可能なコンシューマ又は調節可能な電流シンクを介して燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックを調節する。この目的で、ライン７を介して測定調節ユニット６を調節可能なコンシューマ又は調節可能な電流シンクに接続することができる。
【００３８】
調節可能なコンシューマ３は、燃料電池セル・スタック内で生成された電流を電力グリッドに供給するようにその出力を電力グリッド３’に接続することができる電圧変換器又はインバータであることが有利である。
【００３９】
さらに、本発明は、上記の説明による調節装置又は調節装置の実施例を有する燃料電池セル又は燃料電池セル・スタック１又は燃料電池セル・システムを含む。
【００４０】
本発明による方法の一実施例について、図６から図９を参照して述べる。燃料電池セル又は燃料電池セル・スタック１を調節するための方法では、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックの電流−電圧特性を検出及び評価し、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックの動作点を決定する。この方法は、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックの電流−電圧特性が、動作時の時間間隔で検出され、その勾配が最小を有すること、勾配の最小の値又は勾配の最小に関連する値Ｒｍｉｎが、検出された電流−電圧特性からそれぞれ決定されること、たとえば決定された値に事前に決められたオフセット値Ｒｏｆｆｓｅｔを加算することにより、決定された値を事前に決められたオフセット値と数学的にリンクすることによって、動作点のために所望の値が決定されること、及び燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックが、このようにして決定された所望の値を使用して調節されることを特徴とする。
【００４１】
燃料電池セル又は燃料電池セル・スタック１は、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタック１の出力９に接続される調節可能なコンシューマ又は調節可能な電流シンク３を介して調節されることが有利であり、調節可能なコンシューマ３は、たとえば燃料電池セル又は燃料電池セル・スタック内で生成された電流を電力グリッドに供給するようにその出力を電力グリッド３’に接続することができる、たとえば電圧変換器又はインバータとすることができる。
【００４２】
勾配の最小の値は、たとえば勾配の最小における燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックの内部抵抗又は面積抵抗率（ＡＳＲ）とすることができ、或いは、勾配の最小に関連する値Ｒｍｉｎは、場合によって勾配の最小における燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックの内部抵抗又は面積抵抗率の値にリンクさせることができる。面積抵抗率ＡＳＲは、内部抵抗に燃料電池セルの電気化学的に活性な面積を乗じるという点で、又は燃料電池セル・スタックの同一のユニットの内部抵抗に同一のユニットの電気化学的に活性な面積を乗じるという点で、燃料電池セルの内部抵抗から計算される。
【００４３】
勾配の最小の値又は勾配の最小に関連する値Ｒｍｉｎは、電流−電圧特性からたとえば数値的に、又は電流−電圧特性の数学的導出によって数学的に決定される。
【００４４】
有利な変形形態では、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタック１は、電圧制御、すなわちセル電圧又は出力電圧のための所望の値Ｕｓｏｌｌで調節されるか、或いは電流制御、すなわち電流又は電流密度のための所望の値Ｉｓｏｌｌで調節される。
【００４５】
有利な実施例では、最初に、事前に決められたオフセット値Ｒｏｆｆｓｅｔを勾配の最小の値に、又は勾配の最小に関連する値Ｒｍｉｎに加算することによって、和の値ＲSｕｍｍｅ＝Ｒｍｉｎ＋Ｒｏｆｆｓｅｔが決定され、その和の値に対応する値が、セル電圧若しくは出力電圧Ｕｓｏｌｌに関する、又は電流若しくは電流密度Ｉｓｏｌｌに関する電流−電圧特性を用いて決定され、これは、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタック１を調節するための所望の値の役割をはたす。
【００４６】
以下では、実例として、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックの電流−電圧特性の勾配の最小のための値Ｒｍｉｎが、勾配の最小における面積抵抗率ＡＳＲの値に対応すると仮定する。
【００４７】
図６は、電流密度Ｉに応じた燃料電池セルの面積抵抗率ＡＳＲの典型的な曲線ＡＳＲ（Ｉ）を示す。図の曲線は、燃料電池セルの出力電圧を、電流密度Ｉとそれに続いて勾配に応じて検出して得られたものである。すなわち、面積抵抗率ＡＳＲ（Ｉ）は、数学的導出によって決定された。面積抵抗率の曲線ＡＳＲ（Ｉ）は、図６に示されているように燃料電池セルに特徴的な最小ＡＳＲｍｉｎを有する。
【００４８】
前の段落に記載の方法の実施例に対応して、最初に、事前に決められたオフセット値ＡＳＲｏｆｆｓｅｔを勾配の最小の値ＡＳＲｍｉｎに加算することによって、図６ではＡＳＲｏｐｔと呼ばれる和の値ＲSｕｍｍｅ＝ＡＳＲｍｉｎ＋ＡＳＲｏｆｆｓｅｔが決定され、その和の値ＡＳＲｏｐｔに対応する値が、出力電圧Ｕｓｏｌｌに関して又は電流密度Ｉｓｏｌｌに関して、電流−電圧特性を用いて決定され、前記値は、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタック１を調節するための所望の値の役割をはたす。和の値ＡＳＲｏｐｔに対応する電流密度に関する値Ｉ１が、図６におけるＡＳＲ（Ｉ）の曲線から直接わかる。
【００４９】
ＡＳＲｍｉｎの値は、使用される燃料電池セル、劣化、燃料の量、燃料品質、及び何らかの漏れに応じて変わる。ＡＳＲｍｉｎの値は、典型的には０．３Ωｃｍ２から１．０Ωｃｍ２の範囲内にある。オフセット値ＡＳＲｏｆｆｓｅｔは、それぞれの燃料電池セル概念について特有なものであり、実験によって決定することができる。オフセット値ＡＳＲｏｆｆｓｅｔは、典型的には０．３Ωｃｍ２から１．０Ωｃｍ２の間、好ましくは０．５Ωｃｍ２から０．８Ωｃｍ２の間にある。
【００５０】
実際には、ＡＳＲ（Ｉ）の全体曲線を検出する必要はない。最初に、電流−電圧特性から勾配の最小の値ＡＳＲｍｉｎを決定することで十分である。和の値ＡＳＲｏｐｔ＝ＡＳＲｍｉｎ＋ＡＳＲｏｆｆｓｅｔは、それぞれの決定された値ＡＳＲｍｉｎ、及びそれぞれの燃料電池セル技術について特有のＡＳＲｏｆｆｓｅｔから決定される。次に、勾配が値ＡＳＲｏｐｔに達するまで電流−電圧特性が検出及び評価される。この時点で、図６における電流密度Ｉ１の値に対応する電流密度Ｉｓｏｌｌの対応する値が決定され、且つ／又は電圧Ｕｓｏｌｌの対応する値が決定される。
【００５１】
燃料電池セル・スタックは、その後でＵ＝Ｕｏｐｔで電圧制御を用いて調節及び／又は動作されることが有利である。
【００５２】
他の有利な実施例では、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックの電流−電圧特性が、少なくとも２００時間後、又は少なくとも５００時間後、又は少なくとも１０００時間後、又は２００時間ごと、又は５００時間ごと、又は１０００時間ごとに動作時に検出され、所望の値は検出された電流−電圧特性から再度決定される。
【００５３】
老化した燃料電池セルでの挙動について、図７を参照して述べる。図７では、図６の燃料電池セルのＡＳＲ曲線（曲線ＡＳＲ１（Ｉ））が示されており、実例として老化した燃料電池セルのＡＳＲ曲線（曲線ＡＳＲ２（Ｉ））が示されている。それぞれのＡＳＲ曲線から決定される和の値ＡＳＲｏｐｔ１とＡＳＲｏｐｔ２の差にもかかわらず、電流密度の所望の値はほぼ同等に高い値となる（Ｉ１≒Ｉ２）ことがわかる。セルの老化にもかかわらず、スタックを最大電力近くで、すなわち最適近くで動作させることができる。
【００５４】
燃料ガス品質が変化した、又は燃料ガス流が変化した場合の挙動について、図８を参照して述べる。図８では、図６の燃料電池セルのＡＳＲ曲線（曲線ＡＳＲ１（Ｉ））、及び実例として１０％低い燃料ガス流で動作する燃料電池セルのＡＳＲ曲線（曲線ＡＳＲ３（Ｉ））が示されている。それぞれのＡＳＲ曲線から決定される和の値ＡＳＲｏｐｔ１及びＡＳＲｏｐｔ３が、ほぼ同じ大きさのものであることがわかる。しかし、明らかに異なる電流密度の所望の値（Ｉ１≠Ｉ３）が、曲線ＡＳＲ１（Ｉ）とＡＳＲ３（Ｉ）のコースの違いから生じている。
【００５５】
使用されるガスの燃料ガス流及び最小空気要求量（Ｌｍｉｎ）を十分正確に決定することができるガス流量センサが使用されたとき、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックを調節するための上述の方法及び上述の調節装置の追加の利点が得られる。この場合には、電流密度を、ファラデーの法則により理想的な動作点で計算することができる。そして、記載の方法を、動作中にセンサを監視するために、又は較正するためにも使用することができる。現在のところ、較正されたセンサは、小型燃料電池セル装置に使用することが妥当であると思われる価格で入手可能でない。
【００５６】
本発明による、燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックを調節するための方法及び調節装置、並びに燃料電池セル及び燃料電池セル・スタックは、燃料電池セルの老化、燃料の量、燃料品質、及び何らかの漏れなどの影響要因が電流−電圧特性の勾配曲線にマッピングされ、したがって燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックを調節する際に考慮されるので、動作条件が経時的に変動する場合でも燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックを確実に動作させることができるという利点を有する。これは、最大電力近く、すなわち最適値近くでの燃料電池セル又は燃料電池セル・スタックの安全動作を可能にする。
【符号の説明】
【００５７】
１  燃料電池セル・スタック
２  熱交換器
２’  加熱回路
３  調節可能なコンシューマ
３’  電力グリッド
４  電流センサ
５  電圧センサ
６  測定調節ユニット
７  ライン
８  調節装置
９  出力
Ａ  反応物
Ｂ  反応物
Ｗ  水
【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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