(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のための空気流れ制御システムであって、
空気を供給するための空気供給手段と、
前記空気を蓄える体積部と、
前記体積部に接続された複数の燃料電池サブシステムと、
前記体積部内の空気圧力を検出するためのセンサーと、
前記燃料電池サブシステムの各々についての最小に要求された空気圧力を受け取るコントローラと、
を含む、空気流れ制御システム。
【請求項２】
前記コントローラは、最も高い最小要求空気圧力を選択し、前記体積部内で該最も高い最小要求空気圧力を提供するように、前記空気供給手段を制御する、請求項１に記載の空気流れ制御システム。
【請求項３】
前記空気供給手段はコンプレッサを含む、請求項１に記載の空気流れ制御システム。
【請求項４】
前記体積部は配管を含む、請求項１に記載の空気流れ制御システム。
【請求項５】
前記体積部はマニホルドを含む、請求項１に記載の空気流れ制御システム。
【請求項６】
前記体積部は、配管に接続されたマニホルドを含む、請求項１に記載の空気流れ制御システム。
【請求項７】
前記コントローラは、前記最小に要求された空気圧力に関して、前記燃料電池サブシステムの各々を周期的に監視する、請求項１に記載の空気流れ制御システム。
【請求項８】
前記燃料電池サブシステムは、サブシステム空気流量コントローラと、サブシステム空気流量センサーと、を備える、請求項１に記載の空気流れ制御システム。
【請求項９】
前記サブシステム空気流量コントローラは、電子スロットルバルブを含み、前記サブシステム空気流量センサーは、熱線風速計を含む、請求項８に記載の空気流れ制御システム。
【請求項１０】
前記燃料電池サブシステムは、燃焼器と、部分酸化改質器と、優先酸化反応器と、燃料電池スタックと、燃料電池スタックのカソード入口と、燃料電池スタックのアノード入口と、のグループから選択された構成部品を含む、請求項１に記載の空気流れ制御システム。
【請求項１１】
各々の燃料電池サブシステムは、サブシステム空気流量コントローラを含み、前記コントローラは、前記燃料電池サブシステムの前記最小要求空気圧力を受け取るため前記サブシステム空気流量コントローラを監視する、請求項１に記載の空気流れ制御システム。
【請求項１２】
燃料電池内の燃料電池サブシステムへの空気流れを制御するための方法であって、
空気貯蔵室に空気を供給し、
複数の燃料電池サブシステムを前記空気貯蔵室に接続し、
前記空気貯蔵室内の空気圧力を検出し、
前記燃料電池サブシステムの各々を最小要求空気に関して監視する、各工程を含む、方法。
【請求項１３】
最も高い最小要求空気圧力を選択し、
前記空気貯蔵室内で前記最も高い最小要求空気圧力を維持する、各工程を更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記空気がコンプレッサにより提供される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記空気貯蔵室は配管を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記空気貯蔵室はマニホルドを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記空気貯蔵室は、配管に接続されたマニホルドを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記最小要求空気圧力に関して前記燃料電池サブシステムを周期的に監視する工程を更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記燃料電池サブシステムは、サブシステム空気流量コントローラと、サブシステム空気流量センサーと、を備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記サブシステム空気流量コントローラは、電子スロットルバルブを含み、前記サブシステム空気流量センサーは、熱線風速計を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記燃料電池サブシステムは、燃焼器と、部分酸化改質器と、優先酸化反応器と、燃料電池スタックと、燃料電池スタックのカソード入口と、燃料電池スタックのアノード入口と、のグループから選択された構成部品を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
燃料電池のための空気流れ制御システムであって、
空気を供給するコンプレッサと、
前記空気を蓄える体積部と、
前記体積部に接続された複数の燃料電池サブシステムであって、該燃料電池サブシステムの各々は、サブシステム空気流量コントローラと、サブシステム空気流量センサーと、を備える、該複数の燃料電池サブシステムと、
前記体積部内の空気圧力を検出するためのセンサーと、
前記燃料電池サブシステムについての最小に要求された空気圧力に関して該燃料電池サブシステムの前記サブシステム空気流量コントローラを監視し、最も高い最小要求空気圧力を選択し、前記体積部内で該最も高い最小要求空気圧力を提供するように前記コンプレッサを制御する、コントローラと、
を含む、空気流れ制御システム。
【請求項２３】
前記体積部は配管を含む、請求項２２に記載の空気流れ制御システム。
【請求項２４】
前記体積部はマニホルドを含む、請求項２２に記載の空気流れ制御システム。
【請求項２５】
前記体積部は、配管に接続されたマニホルドを含む、請求項２２に記載の空気流れ制御システム。
【請求項２６】
前記コントローラは、前記燃料電池サブシステムを周期的に監視する、請求項２２に記載の空気流れ制御システム。
【請求項２７】
前記サブシステム空気流量コントローラは、電子スロットルバルブを含み、前記サブシステム空気流量センサーは、熱線風速計を含む、請求項２２に記載の空気流れ制御システム。
【請求項２８】
前記燃料電池サブシステムは、燃焼器と、部分酸化改質器と、優先酸化反応器と、燃料電池スタックと、燃料電池スタックのカソード入口と、燃料電池スタックのアノード入口と、のグループから選択された構成部品を含む、請求項２２に記載の空気流れ制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に係り、より詳しくは、燃料電池システムの空気分配方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
燃料電池システムは、幅広い用途の電源として次第に使用されてきている。燃料電池システムは、内燃エンジンの代替として車両で使用するためにも提案された。燃料電池は、バッテリーを充電するため、又は、電気モーターを電力供給するために使用される電気を発生する。固体ポリマー電解質式燃料電池は、アノード及びカソードの間に挟まれた膜を含む。電気化学反応により電気を生成するため、水素（Ｈ2）がアノードに供給され、酸素（Ｏ2）がカソードに供給される。幾つかのシステムでは、水素の源が改質物であり、酸素（Ｏ2）の源が空気である。
【０００３】
前半部分の電池反応では、アノードでの水素（Ｈ2）の分解により、陽子（Ｈ+）及び電子（ｅ-）が発生する。該膜は、陽子伝達性で且つ誘電性である。その結果として、陽子は膜を通して輸送され、その一方で、電子は、膜を介して接続された電気的負荷（例えばバッテリー又はモーター）を通って流れる。後半部分の電池反応では、カソードにおいて酸素（Ｏ2）が陽子（Ｈ+）と反応し、電子（ｅ-）が水を形成するため取り上げられる。
【０００４】
燃料電池システム内部には幾つかの燃料電池サブシステムが存在しており、これは圧縮空気の別個に制御された源を必要としている。例えば、これらの燃料電池サブシステムは、燃焼器、部分酸化（ＰＯｘ）反応器、優先酸化（ＰｒＯｘ）反応器、燃料電池スタック、及び／又は、他の燃料電池サブシステムを含んでいる。燃料電池サブシステムは、典型的には、空気を提供するため、流量コントローラ、流量センサー、及び、１つ又はそれ以上のコンプレッサを用いている。
【０００５】
２つ又はそれ以上の燃料電池サブシステムが、制御された量の圧縮空気を必要とするとき、従来の燃料電池システムの中には、各々のサブシステムのためのコンプレッサを使用するものがある。各々のコンプレッサは、典型的には、連係された燃料電池サブシステムにより必要とされる所望の空気流れに基づいて制御される。この制御方法は、制御の見地からは、正確であり、且つ、比較的簡単であるが、コンプレッサの重複は、コスト、重量及びパッキングの見地からは望ましくない。
【０００６】
他の従来の燃料電池システムでは、単一のコンプレッサが、燃料電池サブシステムの全てに空気を供給している。コントローラは、燃料電池サブシステムの全てのための流量要求量を総和する。コントローラは、総和された流量要求量を提供するようにコンプレッサを指令する。この燃料電池制御システムでは、典型的には、オーバーフローバルブが、システム誤差に起因した過剰空気を抜き取るために必要とされる。この制御方法の遷移応答性は、燃料電池サブシステムの間の有意な結合度に起因して、本質的に妥協される。この制御システムは、燃料電池システムの任意の変化に対して有意な再作業も要求する。
【０００７】
例えば、流量ベースの制御が使用され、５つの燃料電池サブシステムが、１ｇ／秒の流れを要求したとき、コントローラは、流量率を総和し、５ｇ／秒を提供しようとする。流量センサーの一つが不正確である場合、燃料電池サブシステムの全てが被害を被る。燃料電池サブシステムの一つが欠陥のある流量センサー又は流量コントローラを有し、燃料電池サブシステムが実際には１．５ｇ／秒を達成するが１ｇ／秒を要求している場合、他の燃料電池サブシステムの各々は、空気が欠乏する。その代わりに、欠陥のある燃料電池サブシステムが２ｇ／秒を必要とするが１ｇ／秒しか得られない場合には、他の燃料電池サブシステムの全ては、空気を過多に受け取る。換言すれば、１つの燃料電池サブシステムの誤差が、他の燃料電池サブシステムの全てに空気配給の誤差をもたらす。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る、燃料電池のための空気流れ制御システム及び方法は、貯蔵室に空気を供給するコンプレッサを含む。燃料電池サブシステムは、空気貯蔵室に接続される。センサーは、貯蔵室内の空気圧力を測定する。コントローラは、最小要求空気圧力について燃料電池サブシステムを監視する。コントローラは、最も高い最小要求空気圧力を選択する。コントローラは、貯蔵室内でその最も高い最小要求空気圧力を提供するようにコンプレッサを制御する。
【０００９】
本発明の他の特徴では、空気貯蔵室は、配管又はマニホルド、或いは、その両方を含む。燃料電池サブシステムの各々は、サブシステム空気流量コントローラと、サブシステム空気流量センサーと、を備える。コントローラは、最小要求空気圧力に関して燃料電池サブシステムを周期的に監視する。サブシステム空気流量コントローラは、好ましくは、電子スロットルバルブを備える。サブシステム空気流量センサーは、好ましくは、熱線風速計（hot wire anemometer）又はワイヤ圧力計（wire manometer）を備える。
【００１０】
本発明の他の特徴では、燃料電池サブシステムは、燃焼器と、部分酸化（ＰＯｘ）反応器（部分酸化改質器）と、優先酸化（ＰｒＯｘ）反応器と、燃料電池スタックと、燃料電池スタックのカソード入口と、燃料電池スタックのアノード入口と、のグループから選択される。
【００１１】
本発明の応用可能性の更なる領域は、以下に提供される詳細な説明から明らかとなろう。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、単なる例示の目的のためであり、本発明の範囲を限定するものではない。
【００１２】
本発明は、次の詳細な説明及び添付図面を参照してより完全に理解されるようになるであろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】
好ましい実施形態の以下の説明は、その本質上、単なる例示にしか過ぎず、本発明及びその用途又は使用法を限定するものではない。
【００１４】
ここで、図１を参照すると、燃料電池システム１２のための空気配給システム１０が示されている。燃料電池システム１２は、空気の制御された配給を必要とする、複数の燃料電池サブシステム１４−１、１４−２、．．．１４−ｎを備える。例えば、燃料電池サブシステム１４−１は、空気流量センサー（MAF）１６−１、空気流量コントローラ（MFC）１８−１及び燃焼器２０を備えている。空気流量センサー１６−１は、配管２２−１を通って流れる空気の流量を測定する。空気流量コントローラ１８−１は、燃焼器２０に至る空気流量を調整、制御する。認めることができるように、流量コントローラ１８−１を、燃焼器２０又は他の燃料電池サブシステムと連係された１つ又はそれ以上のコントローラに接続してもよい。
【００１５】
他の燃料電池サブシステム１４−２、１４−３、．．．、１４−ｎは、同様に、他の燃料電池の構成部品への空気流れを制御する。例えば、ＰＯｘ反応器（部分酸化反応器）２４は、供給燃料を、（該燃料を二酸化炭素及び水に完全酸化するというよりも）一酸化炭素及び水素へと部分酸化する。空気及び燃料の流れは、ＰＯｘ反応器２４内に注入される。燃料の蒸気改質を超えるＰＯｘ反応の利点は、それが吸熱反応ではなく発熱反応であるということである。このため、ＰＯｘ反応は、それ自身の熱を発生させる。空気流量センサー１６−２は、配管２２−２内の空気流れを検出する。空気流量コントローラ１８−２は、ＰＯｘ反応器２４に配給された空気流れを調整、制御する。空気流量コントローラ１８−２は、ＰＯｘ反応器２４又は他の燃料電池サブシステムと連係された１つ又はそれ以上のコントローラと接続されてもよい。
【００１６】
同様に、空気流量センサー１６−３、１６−４、１６−５、．．．、１６−ｎは、配管２２−３、２２−４、２２−５、．．．、２２−ｎ内の空気流れを検出する。流量コントローラ１８−３、１８−４、１８−５、．．．．、１８−ｎは、優先酸化（ＰｒＯｘ）反応器２６、燃料電池スタック３１のアノード入力部３０、燃料電池スタック３１のカソード入力部３２、及び、空気入力を必要とする他の任意の燃料電池サブシステムに配給される空気流れを調整、制御する。
【００１７】
空気は、典型的に、コンプレッサ３６により供給される。クーラー３８は、コンプレッサ３６により、マニホルド４０及び／又は配管２２に出力された空気を冷却する。流量センサー（MAF）４２は、コンプレッサ３６により生成された空気流れを検出する。空気流れコントローラ５０は、空気流量センサー１６及び４２と、流量コントローラ１８と、コンプレッサ３６と、に接続される。空気流量コントローラ５０は、空気入力を必要とする燃料電池サブシステム１４の各々の空気流れ要求量を総和する。空気流れコントローラ５０は、燃料電池サブシステム１４の総和された空気流れ要求量に合致させるように、コンプレッサ３６の空気流量を調整、制御する。
【００１８】
ここで、図２を参照すると、流量ベースの空気流れコントローラ５０の制御戦略が示されており、全体として１００で示されている。第１、第２、及び、第ｎの燃料電池サブシステムのための所望の流量率１０２、１０４及び１０６は、コンプレッサ３６に対して目標となる流量率１１２を発生させるため、総和器１１０により総和される。空気流量コントローラ５０は、目標となる流量率１１２を提供するため、コンプレッサ３６を指令する。この制御システムでは、オーバーフローバルブは、典型的には、システム誤差に起因して蓄積された過剰空気圧力を抜き取るため必要とされる。この制御法の遷移的応答は、燃料電池サブシステムの間の連結に起因して妥協される。換言すれば、１つの燃料電池サブシステムの制御誤差は、燃料電池サブシステムの全てに悪影響を及ぼす。この制御システムは、燃料電池サブシステムにおける任意変化のため有意な再作業を必要とされる。
【００１９】
ここで、図３を参照すると、圧力ベースの空気流れ制御システム１２０が示されている。明瞭にするという目的のため、図１からの参照番号が、同じ構成要素を同定する上で適切な場合に使用された。圧力ベースの空気流れ制御システム１２０は、マニホルド４０及び／又は配管２２内の空気圧力を測定する圧力センサー１２２を備える。空気流れコントローラ１２４は、燃料電池サブシステム１４を周期的に調査し、燃料電池サブシステム１４の各々により必要とされる最小の空気圧力を要求する。燃料電池サブシステム１４は、最小の要求された圧力を提供する。圧力が要求されない場合、燃料電池サブシステム１４は、応答しないか、或いは、ゼロを用いて応答する。燃料電池サブシステム１４の１つ又はそれ以上は、与えられた調査周期の間に圧力要求を持っていなくてもよい。空気流れコントローラ１２４は、燃料電池サブシステム１４により出力された、最小要求圧力から最も高い最小圧力を選択する。空気流れコントローラ１２４は、燃料電池サブシステム１４に対する最も高い最小要求圧力を、引き続く調査周期まで維持するようにマニホルド４０及び／又は配管２２内の空気圧力を制御する。
【００２０】
ここで、図３を参照すると、圧力ベースの空気流れシステム１２０内の空気流れコントローラ１２４により用いられる制御戦略が更に詳細に示されている。空気流れコントローラ１２４は、それらの最も高い最小圧力を求めるため燃料電池サブシステム１４を調査する。空気流れコントローラ１２４は、最も高い最小要求圧力Ｐminを選択する。空気流れコントローラ１２４は、マニホルド４０内で監視された圧力Ｐを、最も高い最小要求圧力Ｐminと比較する。
【００２１】
圧力センサー１２２により発生された実際の圧力信号２０６は、総和器２０４の反転入力端子に入力される。最も高い最小要求圧力Ｐmin２０２は、総和器２０４の非反転入力端子に入力される。総和器２０４の出力は、１つ又はそれ以上のゲインブロック２１０及び２１２に入力される。ゲインブロック２１０は、システム圧力ゲインを提供する。ゲインブロック２１２は、他の要求された燃料電池システムのゲインを表している。ゲインブロック２１２の出力が、総和器２１６に入力される。実際の又は推定されたコンプレッサ流量率２１８が総和器２１６に入力される。コンプレッサ流量率２１８は、コンプレッサ３６の速度と、コンプレッサ３６の入口及び出口圧力と、から推定することができる。総和器２１６の出力２２０は、コンプレッサ３６の目標流量率に等しい。
【００２２】
ここで、図５を参照すると、圧力ベースの空気流れ制御システム１２を制御するための工程が更に詳細に示されており、全体として２５０で指し示されている。当該制御は、工程２５２で開始する。工程２５３では、空気流れコントローラ１２４と連係された調査タイマーがリセットされる。工程２５４では、空気流れコントローラ１２４が、燃料電池サブシステム１４を、それらの最小圧力要求に関して調査する。工程２５６では、空気流れコントローラ１２４は、燃料電池サブシステム１４により要求された最も高い最小圧力Ｐminを選択する。工程２５８では、空気流れコントローラ１２４が、マニホルド４０及び／又は配管２２内の圧力Ｐを測定する。工程２６２では、空気流れコントローラ１２４は、調査タイマーがカウント終了したか否かを判定する。調査タイマーがカウント終了した場合、工程２５３で制御が続行する。そうでない場合、工程２６６で制御が続行する。工程２６６では、空気流れコントローラは、測定された圧力Ｐが最も高い最小圧力Ｐminを超えたか否かを判定する。測定された圧力Ｐが最も高い最小圧力Ｐminを超えた場合、工程２６２で制御が続行する。測定された圧力Ｐが最も高い最小圧力Ｐminを超えない場合、工程２７０で制御が続行する。工程２７０では、マニホルド４０及び／又は配管２２内の圧力Ｐがコンプレッサ３６を使用して増加される。
【００２３】
本発明では、燃料電池サブシステムの空気流れ動力学が、マニホルド及び／又は配管２２内の圧力に直接に比例しており、コンプレッサ３６の流量率には直接には関係付けられていない。コンプレッサ３６の流量率は、マニホルド４０及び／又は配管２２内の圧力の変化率に影響を及ぼすことにより燃料電池サブシステム１４の動力学に間接的に影響を及ぼしている。空気流れコントローラ１２４は、燃料電池サブシステムへの空気流れの遙かに密接した遷移的制御を提供する。更に加えて、空気流れコントローラ１２４は、燃料電池サブシステムの間の相互作用の結合度を、従来の空気流れコントローラよりも大幅に下げる。その結果として、下流側の燃料電池サブシステムは、分布された態様でより効率的に展開させることができる。
【００２４】
空気流れコントローラ１２４は、従来の空気流れコントローラと比較して改善された乱れ排除機能を有する。加えて、コンプレッサの空気流れを測定する空気流量センサーを無くし、圧力ベースの制御戦略における圧力のより低い結合度に起因してコストを減少させることができる。コンプレッサ３６の流量率は、コンプレッサ３６の速度と、入力及び出力の圧力とから推定することができる。オーバーフローバルブ又は圧力レギュレータも無くすことができる。本発明に係る空気流れコントローラは、多数の燃料電池サブシステムへの空気流れを制御するため、単一のコンプレッサしか要求せず、これにより、コスト、複雑さ、重量及びパッケージングを改善する。空気流れコントローラは、燃料電池サブシステムの分布された展開を支持し、燃料電池サブシステムの結合度を低下させることにより展開プロセスを簡素化し、モジュール化の可能性を増加させる。
【００２５】
当業者ならば、本発明の幅広い教えを様々な形態で実施することができるということを前記した説明から理解することができる。このため、本発明は、その特定の例と関連して説明されたが、本発明の真の範囲は、それに限定されるものではない。図面、詳細な説明及び請求の範囲の研究に基づいて、当業者には、他の変更が明らかであるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来技術に係る空気流制御システムを示す概略ブロック図である。
【図２】図２は、従来技術に係る、簡単化された空気流量ベースの制御図である。
【図３】図３は、本発明に係る空気流制御システムを示す概略ブロック図である。
【図４】図４は、本発明に係る、圧力ベースの空気流れ制御図である。
【図５】図５は、本発明に係るコンプレッサを制御するための工程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０    空気配給システム（従来技術）
１２    燃料電池システム
１４−１、１４−２、．．．１４−ｎ    複数の燃料電池サブシステム
１６−１、１６−２、．．．１６−ｎ    空気流量センサー
１８−１、１８−２、．．．１８−ｎ    空気流量コントローラ
２０    燃焼器
２２−１、２２−２、．．．２２−ｎ    配管
２４    ＰＯｘ反応器
２６    優先酸化（ＰｒＯｘ）反応器
３０    アノード入力部
３１    燃料電池スタック
３２    カソード入力部
３６    コンプレッサ
３８    クーラー
４０    マニホルド
４２    流量センサー
５０    空気流れコントローラ（従来技術）
１００    流量ベースの空気流れコントローラ５０の制御戦略（従来技術）
１１０    総和器
１１２    目標となる流量率
１２０    圧力ベースの空気流れ制御システム（本発明）
１２２    圧力センサー
１２４    空気流れコントローラ（本発明）
２０２    最も高い最小要求圧力Ｐmin
２０４    総和器
２０６    実際の圧力信号
２１０、２１２    ゲインブロック
２１６    総和器
２１８    実際の又は推定されたコンプレッサ流量率
２２０    コンプレッサの目標流量率
２５０    圧力ベースの空気流れ制御システム１２を制御するための各工程
【図１】
0004033389.tif 000002
【図２】
0004033389.tif 000003
【図３】
0004033389.tif 000004
【図４】
0004033389.tif 000005
【図５】
0004033389.tif 000006