(57)【要約】【課題】ＰＥＭ燃料電池システムのカソードにおけるアニオン汚染物質除去のための条件を改善するためのシステムおよび方法を提供すること。【解決手段】特定の実施形態に従った燃料電池システムは、圧縮機が連結されたカソード室を含むことができる。圧縮機は、圧縮機入力部を介して入力カソードガスを受け取り、圧縮機出力部を介して入力カソードガスをカソード室に供給するように構成され得る。燃料電池システムは、カソード排気ガス出力を受け取り、カソード排気ガス出力の少なくとも一部分を圧縮機入力部に選択的に提供するように構成されている、カソード室に連結されたカソードガス再循環弁をさらに含むことができる。本明細書に開示の特定の実施形態に従って、圧縮機は、圧縮機出力部を介してカソード排気ガス出力の少なくとも一部分をカソード室に供給するようにさらに構成され得る。【選択図】図１
2016072242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード室と、
前記カソード室に連結されて、圧縮機入力部を介して入力カソードガスを受け取り、圧縮機出力部を介して前記入力カソードガスを前記カソード室に供給するように構成されている圧縮機と、
前記カソード室に連結されて、カソード排気ガス出力を受け取り、前記カソード排気ガス出力の少なくとも一部分を前記圧縮機入力部に選択的に提供するように構成されている排気ガス再循環弁と
を備える燃料電池システムであって、
前記圧縮機は、前記圧縮機出力部を介して前記カソード排気ガス出力の前記少なくとも一部分を前記カソード室に供給するようにさらに構成されている、
システム。
【請求項２】
前記入力カソードガスは、周囲空気を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記入力カソードガスは、酸素を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記排気ガス再循環弁の動作を制御するように構成されている制御システムをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記制御システムは、前記排気ガス再循環弁を選択的に作動させることによって前記排気ガス再循環弁の動作を制御するように構成されている、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記制御システムは、当該燃料電池システムに関連したフィードバック情報に基づいて、前記排気ガス再循環弁を選択的に作動させるように構成されている、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記フィードバック情報は、当該燃料電池システムの出力電圧を含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記フィードバック情報は、前記カソード室における酸素濃度を含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記制御システムは、当該燃料電池システムの出力電圧に関連した測定情報を受け取り、少なくとも１つの閾値を超える前記測定情報に基づいて前記カソード室における特定の酸素濃度閾値レベルに関連した当該燃料電池システムの少なくとも１つの動作を実施するようにさらに構成されている、請求項４に記載のシステム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの動作は、カソードアニオン汚染物質除去動作を含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
燃料電池システムのカソード室における酸素濃度を管理するための方法であって、
圧縮機入力部において入力カソードガスを受け取るステップと、
圧縮機出力部から前記入力カソードガスを前記カソード室に供給するステップと、
排気ガス再循環弁においてカソードガス出力を受け取るステップと、
前記排気ガス再循環弁から前記カソードガス出力の少なくとも一部分を前記圧縮機入力部に選択的に提供するステップと、
前記圧縮機出力部から前記カソード排気ガス出力の前記少なくとも一部分を前記カソード室に供給するステップと
を含む方法。
【請求項１２】
燃料電池制御システムを使用して、前記排気ガス再循環弁の動作を制御するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記排気ガス再循環弁の動作を制御するステップは、前記排気ガス再循環弁を選択的に作動させるステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記排気ガス再循環弁を選択的に作動させるステップは、前記燃料電池システムに関連したフィードバック情報に基づいて、前記排気ガス再循環弁を選択的に作動させるステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記フィードバック情報は、前記燃料電池システムの出力電圧を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記フィードバック情報は、前記カソード室における酸素濃度を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記燃料電池システムの出力電圧に関連した測定情報を受け取るステップと、
少なくとも１つの閾値を超える前記測定情報に基づいて、前記カソード室における特定の酸素濃度閾値レベルに関連した前記燃料電池システムの少なくとも１つの動作を実施するステップと
をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの動作は、カソードアニオン汚染物質除去動作を含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[001]本開示は、燃料電池システムを管理するためのシステムおよび方法に関する。限定するものではないが、より詳細には、本開示は、燃料電池システムのカソードサブシステムにおける酸素濃度を制御するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
[002]乗用車は、車両の電気および駆動系システムの特定の機構に電力供給する燃料電池（「ＦＣ」）システムを含み得る。例えば、燃料電池システムは、（例えば、電気駆動モータなどを使用して）直接、かつ／または中間バッテリシステムを介して、車両の電気駆動系構成要素に電力供給するために車両に利用され得る。水素は、燃料電池システムに使用され得る１つの可能な燃料である。水素は、燃料電池において電気を効率的に生み出すのに使用可能なクリーン燃料である。水素燃料電池システムは、アノードとカソードとの間の電解質を含むことができる電気化学装置である。アノードは、水素ガスを受け取り、カソードは、酸素または空気を受け取る。水素ガスは、アノードで解離されて、自由水素プロトンおよび電子を発生させる。水素プロトンは、電解質を渡って選択的に伝導され得る。アノードからの電子は、電解質を通過することができず、したがって、負荷を通過するように向けられて、仕事を行ってからカソードに送られる。水素プロトンは、カソードで酸素および電子と反応して、水を生成する。
【０００３】
[003]プロトン交換膜燃料電池（「ＰＥＭ燃料電池」）は、燃料電池駆動式車両に使用され得る。ＰＥＭ燃料電池は、一般に、ペルフルオロスルホン酸膜など、固体ポリマー電解質プロトン伝導膜を含む。ＰＥＭ燃料電池に含まれるアノードおよびカソードは、炭素粒子上に支持されアイオノマーと混合された、微細化された触媒粒子（例えば、白金粒子）を含むことができる。触媒混合物は、膜の両側に堆積され得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[004]カソードからのアニオン汚染物質を除去する機能は、長期にわたってＰＥＭ燃料電池システム性能の継続を達成する際の考慮事項である。カソードアニオン汚染物質除去のための条件を改善するために、従来のＰＥＭ燃料電池システムは、低カソード化学量論を含むことができ、それによって、中程度負荷の下でＰＥＭ燃料電池システムの電圧を強制的により低くさせる。しかしながら、そのような方法は、ＰＥＭ燃料電池システムにおける活性触媒領域全体にわたって、安定性をより低く、電流分布をより貧弱にさせてしまう可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[005]本明細書に提示されるシステムおよび方法は、ＰＥＭ燃料電池システムのカソードにおけるアニオン汚染物質除去のための条件を改善することに関連して利用され得る。いくつかの実施形態では、ＰＥＭ燃料電池システムは、アノード室およびカソード室を含むことができる。本明細書に使用されるとき、ＰＥＭ燃料電池システムは、単一の電池を含むことができ、または代替として、スタック構成で配置された複数の電池を含むことができる。カソード室は、ＰＥＭ燃料電池システムのカソードループに関連したカソード入力ラインに連結され得る。アノード室は、ＰＥＭ燃料電池システムのアノードループに関連したアノード入力ラインに連結され得る。
【０００６】
[006]特定の実施形態では、排気ガス再循環（「ＥＧＲ」）弁は、カソード排気をカソードループにおける圧縮機の入口に再循環させるために、ＰＥＭ燃料電池システムのカソードループに含まれ得る。いくつかの実施形態では、カソード排気の再循環を制御することにより、カソードにおける酸素濃度を制御することができる。高電力条件の下でカソードにおける酸素濃度がより低いと、結果的に、バルク酸素輸送抵抗の増加をもたらすことができ、それによって結果的に、ＰＥＭ燃料電池システムにおける限界電流がより低くなる。特定の実施形態では、これは結果的に、中程度の負荷および熱発生条件付きで、より低いＰＥＭ燃料電池システム電圧をもたらし得る。いくつかの実施形態では、そのような条件は、ＰＥＭ燃料電池システムのカソードにおけるアニオン汚染物質除去のための条件の改善を可能にし得る。低負荷の下でカソード排気ガスを再循環させることにより、（例えば、電圧抑制動作により）負荷をバッテリに引く、または（例えば、スタンバイ動作などにより）大きい電圧サイクルを引き出す必要性を低減すると同時に、さらには、スタック電圧を特定の閾値レベルまで下げることができる。
【０００７】
[007]特定の実施形態に従った燃料電池システムは、圧縮機が連結されたカソード室を含むことができる。圧縮機は、とりわけ、圧縮機入力部を介して入力カソードガス（例えば、周囲空気、酸素など）を受け取り、圧縮機出力部を介して入力カソードガスをカソード室に供給するように構成され得る。燃料電池システムは、カソード排気ガス出力を受け取り、カソード排気ガス出力の少なくとも一部分を圧縮機入力部に選択的に提供するように構成されている、カソード室に連結されたカソードガス再循環弁をさらに含むことができる。本明細書に開示の特定の実施形態に従って、圧縮機は、圧縮機出力部を介してカソード排気ガス出力の少なくとも一部分をカソード室に供給するようにさらに構成され得る。
【０００８】
[008]いくつかの実施形態では、排気ガス再循環弁の動作は、制御システムによって制御され得る。とりわけ、制御システムは、排気ガス再循環弁の動作を、弁を選択的に作動させることによって制御するように構成され得る。例えば、制御システムは、燃料電池システムの出力電圧および／またはカソード室における酸素濃度などの燃料電池システムに関連したフィードバック情報に基づいて、弁を選択的に作動させることができる。特定の実施形態では、制御システムは、燃料電池システムの出力電圧に関連した測定情報を受け取り、少なくとも１つの閾値を超える測定情報に基づいて、カソード室における特定の酸素濃度閾値レベルに関連した燃料電池システムの少なくとも１つの動作（例えば、カソードアニオン汚染物質除去など）を実施するようにさらに構成され得る。
【０００９】
[009]さらなる実施形態では、燃料電池システムのカソード室における酸素濃度を管理するための方法は、圧縮機入力部において入力カソードガスを受け取るステップを含むことができる。入力カソードガスは、圧縮機出力部からカソード室に供給され得る。カソードガス出力は、排気ガス再循環弁において受け取ることができる。カソードガス出力の少なくとも一部分は、排気ガス再循環弁から圧縮機入力部に選択的に提供され得る。加えて、カソード排気ガス出力の少なくとも一部分は、圧縮機出力部からカソード室に供給され得る。
【００１０】
[0010]特定の実施形態では、排気ガス再循環弁の動作は、燃料電池制御システムを使用して制御され得る。例えば、制御システムは、排気ガス再循環弁を選択的に作動させることができる。特定の実施形態では、排気ガス再循環弁を選択的に作動させるステップは、燃料電池システムに関連したフィードバック情報に基づいて、排気ガス再循環弁を選択的に作動させるステップを含むことができる。フィードバック情報は、とりわけ、燃料電池システムの出力電圧および／またはカソード室における酸素濃度を含むことができる。方法は、燃料電池システムの出力電圧に関連した測定情報を受け取るステップと、少なくとも１つの閾値を超える測定情報に基づいて、カソード室における特定の酸素濃度閾値レベルに関連した燃料電池システムの少なくとも１つの動作（例えば、カソードアニオン汚染物質除去）を実施するステップとをさらに含むことができる。
【００１１】
[0011]いくつかの実施形態では、前述の方法は、ＰＥＭ燃料電池システムに関連した制御電子部によって行うことができ、かつ／または関連の実行可能な命令を記憶している非一時的コンピュータ可読媒体を使用して実施され得る。
【００１２】
[0012]本開示の非限定的かつ非包括的な実施形態は、図を参照して本開示の様々な実施形態を含んで説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】[0013]図１は、本明細書に開示の実施形態に従ったＰＥＭ燃料電池システムのカソードループの概念的フローダイヤグラムである。
【図２】[0014]図２は、本明細書に開示の実施形態に従ったＰＥＭ燃料電池システムのカソードにおける化学量論混合物と、流量と、酸素濃度と、電流密度との間の例示的関係を示すグラフである。
【図３】[0015]図３は、本明細書に開示の実施形態に従ったＰＥＭ燃料電池システムのカソードにおける酸素濃度と、電流密度との間の例示的な関係を示す、より詳細なグラフである。
【図４】[0016]図４は、本明細書に開示の実施形態に従ったＰＥＭ燃料電池システムのカソードにおける酸素濃度を管理するための例示的な方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
[0017]本開示の実施形態に従ったシステムおよび方法の詳細な説明が以下に提供される。いくつかの実施形態が説明されるが、本開示は、いずれか１つの実施形態に限定されるものではなく、むしろ、多数の代替形態、修正形態、および均等形態を包含するものであることを理解すべきである。加えて、本明細書に開示の実施形態について完全な理解を与えるために、多数の具体的な詳細が以下の説明で示されるが、いくつかの実施形態は、これらの詳細の一部またはすべてがなくても実施され得る。さらには、明瞭にするために、関連技術で知られている特定の技術的情報については、本開示を不必要に曖昧にするのを避けるために詳細には説明していない。
【００１５】
[0018]本開示の実施形態は、同様の部品が同様の数字によって指定され得る図面を参照することによって最良に理解されるであろう。本明細書において図に概括的に説明され示される本開示の実施形態の構成要素は、多種多様な異なる構成で配置可能および設計可能になる。したがって、本開示のシステムおよび方法の実施形態の以下の詳細な説明は、特許請求される本開示の範囲を限定するように意図するものではなく、単に、本開示の可能な実施形態を示すものにすぎない。加えて、方法のステップは、必ずしも、何らかの具体的な順序で、または連続して実行される必要もなければ、他に特別の定めがない限り、実行されるステップが一度限りである必要もない。
【００１６】
[0019]本明細書に提供されるシステムおよび方法は、ＰＥＭ燃料電池システムのカソードにおける酸素濃度を管理することに関連して利用され得る。特定の実施形態では、ＰＥＭ燃料電池システムのカソードにおける酸素濃度は、カソードを通過するカソード排気を選択的に再循環することによって制御され得る。いくつかの実施形態では、本明細書に開示の実施形態に従ってカソードにおける酸素濃度を下げることにより、とりわけ、ＰＥＭ燃料電池システムのカソードにおけるアニオン汚染物質除去のための条件を改善することができる。
【００１７】
[0020]図１は、本明細書に開示の実施形態に従った、車両１００に含まれるＰＥＭ燃料電池システム１０２のカソードループ１０４の概念的フローダイヤグラムを示している。車両１００は、自動車、海上船舶、航空機、および／または任意の他のタイプの車両であってよく、本明細書に開示のシステムおよび方法を組み込むための任意の適切なタイプの駆動系を含むことができる。本開示のシステムおよび方法の追加の実施形態は、例えば、固定式燃料電池システム（例えば、発電機）を含む任意の他のタイプの燃料電池システムに関連して利用され得る。図示のように、車両１００は、車両１００の特定の構成要素に電力を提供するように構成されているＰＥＭ燃料電池システム１０２を含むことができる。例えば、ＰＥＭ燃料電池システム１０２は、車両１００の電気駆動系構成要素に電力を提供するように構成され得る。
【００１８】
[0021]いくつかの実施形態では、ＰＥＭ燃料電池システム１０２は、電力を電気駆動系構成要素に直接、提供するように構成され得る。特定の実施形態では、ＰＥＭ燃料電池システム１０２は、中間バッテリシステムを介して電力を電気駆動系構成要素に提供するように構成され得る。さらなる実施形態では、ＰＥＭ燃料電池システム１０２は、例えば、電動冷却液ポンプ、照明システム、オーディオシステムなどを含む様々な車両１００のシステムに電気エネルギーを供給する低電圧バッテリシステム（例えば、１２Ｖ鉛酸自動車バッテリ）を含む１つまたは複数の他のバッテリシステムに電力を提供するように構成され得る。
【００１９】
[0022]ＰＥＭ燃料電池システム１０２は、ＰＥＭ燃料電池スタック１０６構成で配置された単一の電池または複数の電池を含むことができ、上述の特定のＰＥＭ燃料電池システムの要素および／または機構を含むことができる。いくつかの実施形態では、ＰＥＭ燃料電池スタック１０６は、酸素または空気（例えば、周囲入口空気１１２）を含み得るカソード入力ガスを受け取ることができる。動作中、カソード入力ガス（例えば、酸素）の一部分は、ＰＥＭ燃料電池スタック１０６によって消費されることはなく、したがって、水を含み得るカソード排気ガスとして出力され得る。カソード排気ガスに含まれる水は、水蒸気および／または液体水を含み得る。特定の実施形態では、この水は、ＰＥＭ燃料電池スタック１０６と連通している水蒸気移送（「ＷＶＴ」）ユニット１０８によって捕集され得る。
【００２０】
[0023]いくつかの実施形態では、ＷＶＴユニット１０８によって捕集される水は、カソード入力空気流を加湿することに関連して利用され得る。いくつかの実施形態では、カソード入口空気は、周囲入口空気１１２がＷＶＴユニット１０８に移送される前に、ＷＶＴユニット１０８と連通している給気冷却器（「ＣＡＣ」）（図示せず）を使用して冷却され得る。さらなる実施形態では、ＣＡＣを使用して周囲入口空気１１２を冷却することにより、空気がより良い温度であるようにして、水蒸気移送を容易にすることが可能になる。
【００２１】
[0024]入力ガス１１２および／または排気ガス１１８は、１つまたは複数のポンプおよび／または圧縮機を使用して、図示のＰＥＭ燃料電池システム１０２内で循環され得る。例えば、いくつかの実施形態では、圧縮機１１０は、カソードループ１０４のＷＶＴユニット１０８および／または他の構成要素と連通していることができ、ＰＥＭ燃料電池スタック１０６および／または関連システム（例えば、ＷＶＴユニット１０８など）に関連した特定のガス（例えば、周囲入口空気１１２、および／または水素、および／または出口排気ガス１１８）を循環させるように構成され得る。
【００２２】
[0025]いくつかの実施形態では、ＰＥＭ燃料電池システム１０２は、カソードループ１０４において配設されたＥＧＲ弁１１４を含むことができる。特定の実施形態では、ＥＧＲ弁１１４は、圧縮機１１０の入口へのカソード排気の再循環を選択的に可能にするように構成され得る。特定の実施形態では、ＥＧＲ弁１１４を使用してカソード排気の再循環を制御することにより、カソードにおける酸素濃度を制御することができる。例えば、特定の実施形態では、ＥＧＲ弁を使用してカソード排気を選択的に再循環させることによって、カソードにおける酸素濃度を下げることができる。
【００２３】
[0026]特定の実施形態では、ＥＧＲ弁１１４の１つまたは複数の位置は、ＰＥＭ燃料電池システム１０２のカソードにおける１つまたは複数の酸素濃度レベルと関連付けることができる。例えば、ＥＧＲ弁１１４の第１の位置では、より低量のカソード排気がＰＥＭ燃料電池システム１０２のカソード中を再循環することができ、それによって結果的に、カソード排気再循環なしのカソードにおける酸素濃度に比較的近いカソードにおける酸素濃度がもたらされる。ＥＧＲ弁１１４の第２の位置では、増加した量のカソード排気は、ＰＥＭ燃料電池システム１０２のカソード中を再循環することができ、それによって結果的に、カソードにおける酸素濃度が比較的低くなる。
【００２４】
[0027]特定の実施形態では、カソードループ１０４に含まれた背圧弁１１６は、少なくとも一部は、カソードループ１０４内のガスの流れ、および／またはカソードループ１０４からの排気ガス１１８を管理する、かつ／あるいは別の形で制御するように動作することが可能である。いくつかの実施形態では、背圧弁１１６は、カソードループ１０４の１つまたは複数の場所における圧力を１つまたは複数の閾値の範囲内で管理するように構成され得る。さらなる実施形態では、背圧弁１１６は、カソードループ１０４におけるカソード排気ガスを再循環させることに関連して、ＥＧＲ弁１１４と相まって動作することができる。
【００２５】
[0028]より高い電力条件の下でカソードにおける酸素濃度がより低いと、結果的に、バルク酸素輸送抵抗の増加と、ＰＥＭ燃料電池システム１０２における関連した限界電流の低下とがもたらされ得る。特定の実施形態では、そのような条件は結果的に、中程度の負荷および熱発生条件付きで、より低いＰＥＭ燃料電池システム１０２出力電圧をもたらし得る。いくつかの実施形態では、そのような条件は、ＰＥＭ燃料電池システム１０２のカソードにおけるアニオン汚染物質除去のための条件の改善を可能にし得る。
【００２６】
[0029]ＰＥＭ燃料電池システム１０２ならびに／または関連のシステムおよび／もしくは構成要素は、関連制御システム１２０と通信可能なように連結され得る。制御システムは、ＰＥＭ燃料電池システム１０２ならびに／または関連のシステムおよび／もしくは構成要素の特定の動作を監視し、制御するように構成され得る。例えば、制御システム１２０は、燃料電池システム１０２の始動、停止、充電、および／または放電の動作を監視し、制御するように構成され得る。同様に、制御システム１２０は、本開示のシステムおよび方法の実施形態に関連して、燃料電池システム１０２のＥＧＲ弁１１４ならびに／または他の関連のシステムおよび／もしくは構成要素の動作を監視し、かつ／または制御するように構成され得る。
【００２７】
[0030]特定の実施形態では、ＥＧＲ弁１１４の位置は、ＰＥＭ燃料電池システム１０２の動作条件に関するフィードバック情報に基づいて、制御システム１２０および／または任意の他の適切なシステムによって制御され、かつ／または別の形で管理され得る。例えば、いくつかの実施形態では、ＥＧＲ弁１１４の位置は、測定済みスタック電圧（例えば、特定の負荷における測定済みスタック電圧）に基づいて制御され得る。さらなる実施形態では、ＥＧＲ弁１１４の位置は、ＰＥＭ燃料電池システム１０２のカソードにおける酸素濃度（例えば、測定済み酸素濃度など）に関する情報に基づいて制御され得る。
【００２８】
[0031]図２は、本明細書に開示の実施形態に従ったＰＥＭ燃料電池システムのカソードにおける化学量論混合物２０２と、ガス流量２０４（すなわち、毎分基準リットルにおける体積流量単位など）と、酸素濃度２０６と、電流密度２０８との間の例示的な関係を示すグラフ２００を示している。グラフ２００の軸２１０は、ＰＥＭ燃料電池システムのカソードにおける化学量論混合物２０２、カソードガス流量２０４、酸素濃度２０６、および電流密度２０８のパーセント変化を表し、グラフ２００の軸２１２は、ＰＥＭ燃料電池システムの（例えば、Ａ／ｃｍ２単位で測定された）電流密度を表し、グラフ２００の軸２１４は、秒単位での時間を表す。
【００２９】
[0032]図３は、本明細書に開示の実施形態に従ったＰＥＭ燃料電池システムのカソードにおける酸素濃度２０６と、電流密度２０８との間の例示的な関係を示す、より詳細なグラフ３００を示している。図２〜図３に示すように、特定の実施形態では、（例えば、カソードループにおけるＥＧＲ弁の作動などによって）カソード酸素濃度２０６が増加するにつれて、関連ＰＥＭ燃料電池システムの電流密度２０８もまた増加し得る。このようにして、カソード酸素濃度２０６は、特定の所望のＰＥＭ燃料電池システムの電流密度２０８および／または電圧レベルを達成するように関連カソードループにおけるＥＧＲ弁を選択的に作動させることによって調整され得る。例えば、カソード酸素濃度２０６は、より高い電力出力におけるＰＥＭ燃料電池システムの限界電流、および／またはより低い電力出力におけるＰＥＭ燃料電池システムの電圧応答に影響を与えるように制御され得る。
【００３０】
[0033]図４は、本明細書に開示の実施形態に従ったＰＥＭ燃料電池システムのカソードにおける酸素濃度を管理するための例示的な方法４００のフローチャートを示している。図示の方法４００は、制御システム、および／あるいはＥＧＲ弁などのＰＥＭ燃料電池システムのカソードループに関連した１つまたは複数の弁を少なくとも一部使用して行うことができるが、他の適切なシステムおよび／またはシステムの組合せもまた利用され得る。
【００３１】
[0034]方法４００は、ステップ４０２から始めることができる。特定の実施形態では、方法４００は、汚染物除去および／または電圧回復の動作の開始に基づいて開始することができる。さらなる実施形態では、方法４００は、関連ＰＥＭ燃料電池システムスタックの、とりわけ、スタックの効率性および／または耐久性を改善するために使用される電圧プロファイル制御動作に関連して開始することができる。
【００３２】
[0035]ステップ４０４で、ＰＥＭ燃料電池システムのカソードループに含まれるＥＧＲ弁が作動し得る。特定の実施形態では、ＥＧＲ弁を作動させることにより、（例えば、関連圧縮機システムなどを介して）カソード排気ガスがＰＥＭ燃料電池システムのカソード中を再循環することが可能になり得、それによって、ＰＥＭ燃料電池システム内の酸素濃度が低くなる。特定の実施形態では、ＥＧＲは、複数の位置のうちの第１の位置で作動し得、それによって、第１の量のカソード排気ガスがＰＥＭ燃料電池システムのカソード中を再循環することが可能になる。
【００３３】
[0036]ステップ４０６で、ＰＥＭ燃料電池システムの出力電圧が特定の閾値レベルに到達したかどうかが決定され得る。特定の実施形態では、閾値は、ＰＥＭ燃料電池システムおよび／または類似のＰＥＭ燃料電池システムのモデリングおよび／または特徴付けもしくは他の試験に基づいて決定され得る。さらなる実施形態では、閾値は、ＰＥＭ燃料電池システムのカソード内の特定の酸素濃度と関連付けることができる。例えば、いくつかの実施形態では、直結フィードバックシステムが、特徴付けプロセスに関連して利用され得、その場合、一定の負荷およびカソード化学量論において、増加するカソード排気ガス再循環がどのようにＰＥＭ燃料電池システムの出力電圧に対する変化と相関するか（例えば、再循環の増加とともに、どのように電圧が減少するか）が決定され得る。さらなる実施形態では、フィードバックシステムは、特定の出力電圧を達成するために、種々のカソード排気ガス再循環に関連して利用され得る。例えば、目標出力電圧が設定可能であり、この目標とされる出力電圧を満たすために、ＥＧＲ弁の位置は、変更可能であり、かつ／または別の形で様々な位置を反復可能である。出力電圧が閾値レベルに到達した場合、方法４００は、ステップ４０８に進むことができ、そこで、カソードにおける特定の酸素濃度レベルに関連した適切な動作を行うことができる。例えば、いくつかの実施形態では、ＰＥＭ燃料電池システムのカソードからのアニオン汚染物質除去動作を行うことができる。他の実施形態では、電圧プロファイル制御動作を含む他のＰＥＭ燃料電池調節動作を行うことができる。さらなる実施形態では、方法４００に関連して、ステップ４０８で具体的な動作が何も行われなくてもよい。
【００３４】
[0037]出力電圧が閾値レベルに到達しなかった場合、方法４００は、ステップ４０４に戻ることができる。ステップ４０４で、ＥＧＲ弁は、カソード排気ガスがＰＥＭ燃料電池システムのカソード中を継続して再循環することが可能になるように、継続して作動することができ、それによって、ＰＥＭ燃料電池システムのカソード内の酸素濃度は下がる。さらなる実施形態では、ＥＧＲは、複数の位置のうちの第２の位置に作動することができ、それによって、カソード排気ガスの第２の量は、ＰＥＭ燃料電池システムのカソード中を再循環することが可能になる。いくつかの実施形態では、この第２の量は、カソード排気ガスの第１の量よりも多くすることができる。したがって、ＥＧＲ弁を第２の位置に作動させると、結果的に、ＥＧＲ弁を第１の位置に作動させるよりもＰＥＭ燃料電池システムのカソードにおける酸素濃度をより低くし得る。方法４００は、ステップ４０６に続くことができ、そこで、ＰＥＭ燃料電池の出力電圧が閾値レベルに到達した場合、方法４００はステップ４０８に進むことができる。ステップ４０８で、カソードにおける特定の酸素濃度レベルに関連した適切な動作を行うことができる。方法は、進んで、ステップ４１０で終了することができる。
【００３５】
[0038]本明細書に開示の特定のシステムおよび方法は、少なくとも一部は、１つまたは複数のコンピュータシステムを使用して実施され得る。例えば、特定の実施形態では、ＰＥＭ燃料電池システムに関連した制御システムは、少なくとも一部は、１つまたは複数のコンピュータシステムを使用して実施され得る。本明細書に開示のシステムおよび方法は、本質的に、任意の特定のコンピュータまたは他の装置に関係しているものでなく、ハードウェア、ソフトウェア、および／またはファームウェアの適切な組合せによって実施され得る。ソフトウェア実装形態は、実行可能なコード／命令を備える１つまたは複数のコンピュータプログラムを含むことができ、この１つまたは複数のコンピュータプログラムは、プロセッサによって実行されると、実行可能な命令によって少なくとも一部は規定される方法をプロセッサに行わせることができる。コンピュータプログラムは、コンパイラ型またはインタプリタ型の言語を含むプログラミング言語の任意の形態で記述可能であり、任意の形態、例えばスタンドアロンプログラムとして、またはコンピューティング環境に使用するのに適切なモジュール、コンポーネント、サブルーティン、もしくは他のユニットとして展開可能である。さらには、コンピュータプログラムは、１つのサイトにおける、または複数のサイトにわたって分散され、通信ネットワークによって相互接続された、１つのコンピュータにおいてもしくは複数のコンピュータにおいて実行されるように展開可能である。ソフトウェア実施形態は、コンピュータプログラムおよび命令を記憶するように構成された非一時的記憶媒体を備えるコンピュータプログラム製品として実施され得、このコンピュータプログラムおよび命令は、プロセッサによって実行されると、命令に従ってプロセッサに方法を行わせるように構成されている。特定の実施形態では、非一時的記憶媒体は、非一時的記憶媒体においてプロセッサ可読命令を記憶できる任意の形態を取ることができる。非一時的記憶媒体は、コンパクトディスク、デジタルビデオディスク、磁気テープ、ベルヌーイ（Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ）ドライブ、磁気ディスク、パンチカード、フラッシュメモリ、集積回路、または任意の他の非一時的デジタル処理装置メモリデバイスによって実施され得る。
【００３６】
[0039]上記は、明瞭にするために幾分詳しく説明されているが、特定の変更および修正がその原理から逸脱することなしになされてもよいことは明らかであろう。例えば、特定の実施形態では、本明細書に開示のシステムおよび方法は、車両に含まれない燃料電池システムにおいて（例えば、バックアップ電源などとして）利用され得る。本明細書に説明された方法とシステムとの両方を実施する多くの代替のやり方が存在することが留意される。したがって、本実施形態は、例示的であって、制限的ではないと見なされるべきであり、本発明は、本明細書に与えられた詳細に限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲および均等物の範囲内で修正され得る。
【００３７】
[0040]上記の明細書は、様々な実施形態を参照して説明されている。しかしながら、当業者は、様々な修正および変更が、本開示の範囲から逸脱することなくなされ得ることを理解するであろう。例えば、様々な動作ステップ、ならびに動作ステップを遂行するための構成要素は、特定の用途に応じて代替のやり方で、またはシステムの動作に関連した任意の数の費用関数を考慮して実施され得る。したがって、ステップのうちのいずれか１つまたは複数が削除されても、修正されても、または他のステップと組み合わせられてもよい。さらには、本開示は、制限的な意味ではなく例示的な意味と見なされるべきであり、すべてのそのような修正形態は、その範囲内に含まれると意図される。同様に、便益、他の利点、および問題に対する解決策が、様々な実施形態に関して上述されている。しかしながら、便益、利点、問題に対する解決策、およびいずれの便益、利点、もしくは解決策を生じさせ、またはより顕著にさせ得るいずれの要素（複数可）も、重大な、要求される、または必須の特徴、もしくは要素として解釈されるべきではない。
【００３８】
[0041]本明細書に使用されるとき、用語「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、ならびに任意の他のその変形形態は、非排他的な包含をカバーするように意図され、したがって、プロセス、方法、品目、または要素のリストを備える装置は、それらの要素のみを含むのではなく、明示的にリストされていない、またはそのようなプロセス、方法、システム、品目、もしくは装置に固有の他の要素を含むことができる。また、本明細書に使用されるとき、用語「連通している（ｉｎ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）」、「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「連結している（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）」、および任意の他のその変更形態は、物理接続、電気接続、磁気接続、光学接続、通信接続、機能接続、および／または任意の他の接続を包含するように意図されている。
【００３９】
[0042]当業者は、多数の変更が本発明の基本原理から逸脱することなしに上述の実施形態の詳細に対してなされ得ることを理解するであろう。そのため、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ決定されるべきである。
【符号の説明】
【００４０】
１００  車両
１０２  ＰＥＭ燃料電池システム
１０４  カソードループ
１０６  ＰＥＭ燃料電池スタック
１０８  水蒸気移送（「ＷＶＴ」）ユニット
１１０  圧縮機
１１２  周囲入口空気、入力
１１４  ＥＧＲ弁
１１６  背圧弁
１１８  排気ガス、出口排気ガス
１２０  制御システム
２００  グラフ
２０２  化学量論混合物
２０４  ガス流量
２０６  酸素濃度
２０８  電流密度
２１０  軸
２１２  軸
２１４  軸
３００  グラフ
４００  方法
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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