(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのプロトン交換薄膜燃料電池を含む燃料電池スタックに負荷に対する電力を発生させるべく、該燃料電池スタックに反応体の流れを供給するステップと、
前記燃料電池スタックに反応体の流れが供給されている間は、第１の回路要素に備えられたコントローラが、第２の回路要素のモニタ結果を利用して前記燃料電池スタックの動作をコントロールするステップと、
前記反応体の流れを供給する動作の間に、前記燃料電池スタックにより前記第２の回路要素に給電し、かつ、前記燃料電池スタックの動作に関連する機能として該燃料電池スタックの特性をモニタする機能を実行するために前記第２の回路要素を使用するステップと、
前記第１の回路要素が、前記燃料電池スタックに対する前記反応体の流れを停止させ、かつ、前記負荷から前記燃料電池スタックを分離するステップと、
前記燃料電池スタックの中に残っている前記反応体の一部を消散させるべく、前記反応体の流れを停止させることに呼応して、前記第２の回路要素の動作を継続するステップと、
前記反応体の流れが停止された後は、前記コントローラが、前記第２の回路要素のモニタ結果を活用しないステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池スタックの残留燃料の消散方法。
【請求項２】
前記特性が前記スタックに関連する電圧を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記反応体が燃料を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記反応体が水素を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第２の回路要素の前記機能に基づいて前記反応体の流れをコントロールするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記分離するステップが、前記負荷を前記スタックから分離するスイッチを動作させるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記分離する動作が、電力調整回路を前記スタックから分離するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
反応体の流れを供給する燃料ソースと、
前記反応体の流れを受け取り、かつ前記反応体の流れを受け取ることに呼応して負荷に対して電力を発生する、少なくとも１つのプロトン交換薄膜燃料電池を含む燃料電池スタックと、
前記燃料ソースと相互作用して前記燃料電池スタックへの前記反応体の流れを停止し、かつ前記反応体の流れが停止された後、前記燃料電池スタックを前記負荷から分離する第１の回路要素（１６，２９）と、
前記燃料電池スタックから電力を受けて作動し、前記反応体の流れが前記燃料電池スタックに供給される場合に、前記燃料電池スタックを動作させることに関連する機能として該燃料電池スタックの特性をモニタする機能を実行するとともに、前記反応体の流れが停止されている間における前記電力の消費によって前記スタック内に残っている反応体の一部を消散する第２の回路要素（１８）と、を備え、
前記第１の回路要素（１６，２９）が、前記第２の回路要素（１８）のモニタ結果を利用して前記スタックの動作をコントロールするコントローラ（１６）を備え、
前記反応体の流れが停止された後は、前記コントローラ（１６）が前記第２の回路要素（１８）のモニタ結果を活用しないようにしたことを特徴とするシステム。
【請求項９】
前記燃料ソースが燃料プロセッサを備えることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１の回路要素（１６，２９）が、前記スタックと前記負荷との間を結合するスイッチ（２９）を備えることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第２の回路要素（１８）が電池電圧モニタリング回路（１８）を備えることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
前記反応体が燃料を含むことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１３】
前記反応体が水素を含むことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第２の回路要素（１８）の前記機能は、前記スタックの動作状態を示度する機能を含み、
前記第１の回路要素（１６，２９）は、
前記スタックが前記反応体の流れを受け取っている間に前記第２の回路要素（１８）から提供される前記示度に基づいて前記スタックの動作を調整するコントローラ（１６）を備えることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１５】
ＤＣ電圧を前記スタックから受け取りＡＣ電圧を前記負荷に供給する電力調整回路を更に備え、前記第１の回路要素（１６，２９）が前記電力調整回路を前記スタックから分離して、前記負荷を前記スタックから切り離すことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１６】
前記電力調整回路がインバータを備えることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記電力調整回路が電圧レギュレータを備えることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
反応体の流れを受け取ることに呼応して、負荷に対して電力を発生する燃料電池サブシステムと、
前記燃料電池サブシステムに接続されて、少なくとも１つのプロトン交換薄膜燃料電池を含む燃料電池スタックへの前記反応体の流れを停止し、かつ前記流れが停止された後、前記燃料電池スタックを前記負荷から分離する第１の回路要素（１６，２９）と、
前記燃料電池スタックから電力を受けて作動し、前記燃料電池スタックを動作させることに関連する特性として前記燃料電池サブシステムの特性をモニタし、かつ前記流れが停止されている間における前記電力の消費によって、前記燃料電池スタック内に残っている反応体の一部を消散させる第２の回路要素（１８）と、を備え、
前記第１の回路要素（１６，２９）が、前記第２の回路要素（１８）でモニタされる前記サブシステムの特性に基づいて前記サブシステムの動作をコントロールするコントローラ（１６）を備え、
前記反応体の流れが停止された後は、前記コントローラ（１６）が前記第２の回路要素（１８）のモニタ結果を活用しないようにしたことを特徴とする装置。
【請求項１９】
前記第１の回路要素（１６，２９）が、
前記サブシステムと前記負荷との間を結合するスイッチ（２９）を備えることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記第２の回路要素（１８）が電池電圧モニタリング回路（１８）を備えることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記第１の回路要素（１６，２９）は、前記サブシステムが前記流れを受け取っている間に、前記第２の回路要素（１８）でモニタされる前記サブシステムの特性に基づいて前記サブシステムの動作を調整するコントローラ（１６）を備えることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２２】
ＤＣ電圧を前記サブシステムから受け取りＡＣ電圧を前記負荷に供給する電力調整回路を更に備え、前記第１の回路要素（１６，２９）が前記電力調整回路を前記サブシステムから分離して、前記負荷を前記サブシステムから切り離すことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、燃料電池スタックの残留燃料の消散に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、反応によって発生した化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電気化学ディバイスである。例えば、あるタイプの燃料電池には、ポリマー電解質薄膜とよく呼ばれる、燃料電池のアノードとカソードとの間をプロトンだけを通過させることができるプロトン交換薄膜（ＰＥＭ）が含まれる。アノードにおいて、２価の水素（燃料）が反応して、ＰＥＭを通過する水素のプロトンが発生する。この反応により発生したエレクトロンは、燃料電池の外部の回路を通過して電流を形成する。カソードにおいては、酸素が還元されて水素プロトンと反応し、水が形成される。アノード及びカソードの反応は、次の式で説明される。
【０００３】
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-    電池のアノードにおいて
Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ    電池のカソードにおいて
【０００４】
一般的な燃料電池の端子電圧は、約1ボルトＤＣである。より高い電圧を作るために、いくつかの燃料電池を集めて、燃料電池スタックと呼ばれる構成を作ることができる。この構成では、燃料電池を電気的に直列に結合して、より高いＤＣ電圧（例えば、約１００ボルトＤＣの電圧）を作り、またより多量の電力を提供する。
【０００５】
燃料電池スタックは、フロープレート（flow plate）（例えば、グラファイト混合物又は金属のプレート）を備えている。これらのプレートは互いに他の上に重ね合わされ、また各プレートは、スタックの２つ以上の燃料電池に関連している。プレートには、例えば、反応体及び生成物を燃料電池スタックを通って送り出すために、種々の表面フローチャネル及びオリフィスが含まれる。いくつかのＰＥＭ（それぞれのＰＥＭは特定の燃料電池に関連している）を、スタック全体にわたって、異なった燃料電池のアノードとカソードとの間に分散することができる。導電性のガス拡散層（ＧＤＬ）を各ＰＥＭの各側上に配置して、各燃料電池のアノード及びカソードを形成することができる。この実施形態では、ＰＥＭの各側からの反応体のガスは、フローチャネルから離れてＧＤＬを通って拡散しＰＥＭに達する。ＰＥＭ及びその隣接する対は、薄膜電極アセンブリー（ＭＥＡ）と呼ばれる構成に組み立てられることが多い。
【０００６】
燃料電池システムは、システムを修理する又は日常的なシステムの保守を行う目的のために、自動的又は手動でシャットダウンすることができる。しかしながら、そのようなシャットダウンにより、シャットダウンの後に燃料電池スタック内に残された残留燃料のために、問題が生じることがある。例えば、この残留燃料は、システムのサービスに携わる技術者に電気ショックを与えることがある、事実上の潜在エネルギーである。残留燃料が引き起こす問題の別の例として、残留燃料が適当な正規組成の比率を満足しないことがあり、このため、燃料電池スタックのいくつかの電池が負の電圧を示し、これらの電池が電池の裏側で水素を発生することがあるような、不安定で潜在的に危険な状態に入る可能性がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このため、前述した１つ以上の問題に取り組む装置及び／又は技術についての継続的な要求がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施形態では、装置は燃料電池のサブシステム、第１の回路及び第２の回路を備えている。燃料電池のサブシステムは、反応体の流れを受け取ることに呼応して負荷に対して電力を作り、また第１の回路は燃料電池のサブシステムに接続されて、燃料電池スタックへの流れを停止し、流れが停止された後、燃料電池スタックを負荷から分離する。第２の回路は、燃料電池のサブシステムの特性をモニタし、またこのスタックから電力を受け取り、流れが停止される間にスタック内に残る反応体の一部を消散させる。
【０００９】
本発明の利点及び他の特徴は、以下の説明、図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１を参照する。本発明による燃料電池システム１０の実施形態には、燃料電池スタック２０が含まれる。この燃料電池スタック２０は、システム１０が電力発生モードにある場合、それぞれ燃料プロセッサ２２及びエアブロワ２４によって供給される反応体燃料及び酸化体の流れに応じて、負荷５０（例えば、住居用負荷）に対して電力を発生することができる。燃料電池システム１０の通常の動作過程に対して、システム１０が電力発生モードからシャットダウンモードに移行することは可能である。このシャットダウンモードでは、システム１０は燃料プロセッサ２２及びエアブロワ２４を遮断して、酸化体及び燃料を燃料電池スタック２０に流すことを停止する。
【００１１】
シャットダウンモードでは、燃料電池システム１０はスイッチ２９（例えば、リレー）を開いて、燃料電池スタック２０と負荷５０との間の電気的接続を遮断して、これにより、負荷５０をスタック２０から分離する。このシャットダウンモードは、燃料電池システム１０からの電力の発生を遮断して、システム１０に対して修理又は日常的なメンテナンスを行う目的などの様々な理由のために必要とされる。
【００１２】
例え燃料プロセッサ２２を遮断しても、後述するように、システム１０に課せられる安全機構がない場合は、残留燃料は相当の時間燃料電池スタック２０の中に残ることになる。このため、スタック２０を急速に安全な状態にもたらすために、残留燃料を燃料電池スタック２０から素早く取り除くための安全機構を本願で説明する。
【００１３】
スタック２０内の残留燃料を消散させる目的のために、本発明による１つのそのような安全機構又は技術には、システム１０がシャットダウンモードに入る後のシステム１０の回路要素（circuitry）含まれる。この実施形態では、システム１０の電力発生モードの間に、ある機能を実行するためにこの回路要素を使用することができる。例えば、この回路要素を使用して、燃料電池スタック２０の特性（例えば、電池の電圧）をモニタすること、燃料電池システム１０の他の動作をモニタすること、及び／又はシステム１０の電力発生モードの間のシステム１０の動作のコントロールを一様に支援することができる。これらの機能を実行するために、上記回路要素は燃料電池スタック２０から電力を引き出す。シャットダウンモードの間、回路要素が電力発生モードの間に実行する機能を実行しなくても、この回路要素はシャットダウンモードの間に電力シンクとして動作を継続して、燃料電池スタック２０内の残留燃料を消散する。
【００１４】
この構成の可能な利点は、残留燃料を急速に消散するため、燃料電池スタック２０が従来の燃料電池のシステムのスタックよりも早く安全状態に達することができることである。他の異なる利点も可能である。
【００１５】
より具体的には、本発明のいくつかの実施形態では、前述した回路要素が電池電圧モニタリング回路１８を含んでもよい。この電池電圧モニタリング回路１８は、燃料電池スタック２０の１つ以上の電池の端子に接続されて（電気的ライン２１を経由して）、その動作電力を受け取ると共に電池電圧の示度を受け取る。この実施形態では、回路１８は、システム１０の電力発生モードの間にスタック２０の電池電圧をスキャンして、電池電圧及び／又はスタック２０のステータスをシリアルバス１９を介して（システム２０の）システムコントローラ１６に送る。例として、コントローラ１６はマイクロコントローラ又はマイクロプロセッサを備えることができる。
【００１６】
従来の燃料電池システムがその電力発生モードからシャットダウンモードに移行する場合、この従来のシステムは電力発生モードにおいてシステムを動作させるために使用する全ての回路の電源を落とす。この実施形態では、従来のシステムは、スタックの端子電圧が所定の動作レベル以下に低下するときに、そのような回路をシャットダウンする電力ステータス信号を発生する良好な電力回路を備えている。
【００１７】
しかしながら、従来の構成とは異なり、上記燃料電池システム１０では、あたかもシステム１０が電力発生モードであるかのように、電池電圧モニタリング回路１８がシャットダウンモードで動作を継続することができる。燃料電池スタック２０内の残留燃料が消散されるにつれて、スタック２０の端子電圧は、電池電圧モニタリング回路１８が受け取る電源電圧が調節範囲から外れてこの電池電圧モニタリング回路１８が誤動作するようなポイントまで低下する。しかしながら、シャットダウンモードの間に電池電圧モニタリング回路１８が継続して動作する目的は、燃料電池スタック２０内の残留燃料を消散するために電力を引き出すことである。このため、コントローラ１６は、シャットダウンモードの間に電池電圧モニタリング回路１８が示した電圧及び／又はスタックのステータスを無視するようにプログラムされている。
【００１８】
本発明のいくつかの実施形態では、残留燃料を消散するために、燃料電池システム１０が図２に示した技術１００を実行する。実施例のように、コントローラ１６は、コントローラ１６が適当な回路要素をコントロールして技術１００を実行するプログラム１７を（例えば、コントローラ１６のメモリの中に）記憶している。この実施形態では、プログラム１７は、燃料電池システム１０を自動的に又は手動でシャットダウンする場合にコントローラ１６が実行する日常業務とすることができる。例のように、このシャットダウン動作は、予定のメンテナンスのために燃料電池システム１０を準備するために必要とされる。又は、シャットダウン動作は、システム１０に故障が検出されたときに行うことができる。燃料電池システム１０をシャットダウンする別の理由もありうる。
【００１９】
このように、プログラム１７を実行すると、コントローラ１６は燃料プロセッサ２２を遮断して（図２のブロック１０２）、燃料電池スタック２０への燃料の流れを停止し、燃料電池システム１０をシャットダウンモードにする。また、コントローラ１６は、負荷５０を燃料電池スタック２０から分離する（ブロック１０４）。例えば、本発明のいくつかの実施形態において、コントローラユニット１６は（スイッチコントロール用ライン３１を介して）スイッチ２９を開く。このスイッチ２９は、スタック２０の主出力端子３９に接続されて、電力が燃料電池スタック２０から負荷５０に送られるときにコントロールする。この実施形態において、出力端子３９は、スタックの端子電圧（ＶTERMと呼ぶ）を供給し、この端子電圧をシステム１０の電力調整回路４１が受け取って負荷５０用の適当なＡＣ電圧に変換する。スイッチ２９が端子３９とこの電力調整回路４１との間に接続されているので、スイッチ２９を開くと、負荷５０が燃料電池スタック２０から分離され、スイッチ２９を閉じると、負荷５０が燃料電池スタック２０に結合される。
【００２０】
これにより、コントローラ１６がスイッチ２９を開くと、電力調整回路４１は不能になる。しかしながら、電圧モニタリング回路１８は、動作を続けてスタック２０からの電力を消費し、残留燃料を消散させる。スタック２０の供給電力が、最終的に、電池電圧モニタリング回路１８が適切に機能を維持するために不十分な電圧になっても、図２のダイヤモンド１０７に示すように、回路１８は残留燃料が消散されるまで電力を消費する。
【００２１】
図１を参照する。本発明のいくつかの実施形態では、電力調整回路４１には、端子３９とは反対の側のスイッチ２９の端子に接続された電流センサ２７が含まれている。これにより、スイッチ２９が閉じる場合、電流センサ２７は、燃料電池スタック２０から流れる電流の示度を（電気的ライン３３を経由して）提供する。従って、電流センサ２７及び電池電圧モニタリング回路１８を経由して、コントローラ１６は、電力発生モードの間に、スタック２０の電池の電圧及びステータスをモニタすることができる。
【００２２】
電力調整回路４１の電圧レギュレータ２８は、電流センサ２７の出力端子に接続された入力端子を備えている。システム１０が電力発生モードにある場合、電圧レギュレータ２８は、燃料電池スタック２０の端子３９からほぼＶTERMのＤＣ電圧を受け取り、このＤＣ入力電圧を（電力調整回路４１の）インバータ３０に供給する調整されたＤＣ出力電圧に変換する。このインバータ３０の出力端子３２は、負荷５０に対してＡＣウォール（wall）電圧を提供する。
【００２３】
燃料電池システム１０の他の特徴の中で、本発明のいくつかの実施形態では、システム１０がクーラントサブシステム４０を備えている。このクーラントサブシステム４０は、クーラントを燃料電池スタック２０を通して循環させて、スタック２０の温度を調節する。クーラントサブシステム４０は、本発明のいくつかの実施形態では、その動作電力を燃料電池スタック２０から受け取り、燃料電池システム１０がシャットダウンモードに入ると遮断される。燃料電池システム１０は、コントロールバルブ２６も備えている。このコントロールバルブ２６は、燃料電池スタック２０への酸化体及びエアの流れを調整すると共に、流れの緊急シャットオフを行う。燃料電池システム１０は、ガス／水セパレータ３６及び３８も備えていて、例えば、燃料電池スタック２０からの引出し口の酸化体及び燃料の流れのようなシステムの流れから水を取り除くことができる。ガス／水セパレータ３６及び３８は、本発明のいくつかの実施形態では、集めた水をクーラントサブシステム４０の水タンクに向けて流す。燃料電池システム１０は酸化剤３４も含んでいて、電池の反応で消費されない（燃料電池スタック２０からの）排出燃料を酸化させる。
【００２４】
図３を参照する。本発明のいくつかの実施形態では、電池電圧モニタリング回路１８がいくつかの電圧レギュレータ１５０を備えている。それぞれの電圧レギュレータ１５０は、１つ以上の電池にわたる電圧から形成された入力電圧を受け取り、その出力端子１５４でＤＣ電圧を形成する。出力端子１５４の電圧は、今度は、電池電圧モニタリング回路１８の各種のコンポーネントによって受け取られて、これらのコンポーネントに電源を供給する。実施例のように、これらのコンポーネントは電圧スキャニングユニット１５６を備えている。それぞれの電圧スキャニングユニット１５６は、電池の特定のグループの電圧をスキャンする。電圧スキャニングユニット１５６は、２０００年１０月３１日に譲渡された、「MEASURING CELL VOLTAGES OF A FUEL CELL STACK」という名称の米国特許第６，１４０，８２０号の中で説明されているように、燃料電池スタック２０の各種の電池端子の基準になるグラウンドを有している。電池電圧モニタリング回路１８は、電圧スキャニングユニット１５６からのスキャンされた電圧の示度を受け取るインターフェース１５８も備えている。このインターフェース１５８は、回路１８のシリアルバスインターフェース１６２に（バス１６１を介して）接続されている。この実施形態では、（回路１８の）マイクロプロセッサ１６０がバス１６１に接続されており、シリアルバスインターフェース１６２をコントロールして、スタック２０の電池電圧及び／又はステータスをシリアルバス１９を経由してコントローラ１６に送る。
【００２５】
他の実施形態は、下記の特許請求の範囲の中にある。例えば、本発明の他の実施形態では、電池電圧測定回路１８以外の回路を使用して、残留燃料を消散することができる。この実施形態では、回路は電力発生モードの中ではある機能を実行し、またシャットダウンモードでは、燃料電池スタック２０内の残留燃料を消散するように動作する。
【００２６】
本発明を限られた数の実施形態に関して説明してきたが、この開示の恩恵を有する当業者はこれからの多くの修正及び変更を理解されよう。添付した特許請求の範囲が、本発明の真の精神及び範囲の中に入る全てのそのような修正や変更をカバーするものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図２】本発明の実施形態による図１のシステムの燃料電池スタックの残留燃料を消散させる技術を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態による図１のシステムの電池電圧測定回路の概略図である。
【符号の説明】
１６  コントローラ
１７  プログラム
１８  電池電圧モニタリング回路
２０  燃料電池スタック
２２  燃料プロセッサ
２４  エアブロワ
２６  コントロールバルブ
２７  電流センサ
２８  電圧レギュレータ
２９  スイッチ
３０  インバータ
４０  クーラントサブシステム
３４  酸化剤
５０  負荷
【図１】
0003940287.tif 000002
【図２】
0003940287.tif 000003
【図３】
0003940287.tif 000004