(57)【要約】燃料電池システム（１００）は、第１の燃料電池スタック（１０２）と、第１の燃料電池スタック（１０２）と直列の第２の燃料電池スタック（１０４）と、第１の燃料電池スタック（１０２）と並列の第１の整流器（１０６）とを備える。燃料電池システム（１００）はまた、第１の燃料電池スタック（１０２）の水和レベルを増加させる再水和間隔を提供するために、燃料電池システム（１００）上の電流需要とは独立して、第１の燃料電池スタック（１０２）を通る空気流動を調節するように構成される、制御装置（１１０）も備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
第１の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタックと直列の、第２の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタックと並列の、第１の整流器と、
前記第１の燃料電池スタックの水和レベルを増加させる再水和間隔を提供するために、前記燃料電池システム上の電流需要とは独立して、前記第１の燃料電池スタックを通る空気流動を調節するように構成される、制御装置と、
を備える、前記燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、定期的に前記第１の燃料電池スタックを通る空気流動を調節するように構成される、請求項１に記載の前記燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御装置は、アクティブ値から、前記第１の燃料電池スタックを通る前記空気流動の量を定期的に減少させ、次いで、所定の期間後、前記第１の燃料電池スタックを通る前記空気流動の量を増加させ、前記アクティブ値に戻すように構成される、請求項２に記載の前記燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置は、定期的に前記第１の燃料電池スタックを通る前記空気流動の量をゼロまで減少させ、次いで、前記所定の期間後、ゼロから、前記第１の燃料電池スタックを通る前記空気流動の量を増加させるように構成される、請求項２に記載の前記燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記燃料電池システムの測定されたパラメータに応答して、前記第１の燃料電池スタックを通る前記空気流動を調節するように構成される、請求項１に記載の前記燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１の整流器は、アクティブダイオードである、請求項１〜５のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
【請求項７】
前記第１の整流器の第１の端子は、前記第１の燃料電池スタックの第１の端子に接続され、前記第１の整流器の第２の端子は、前記第１の燃料電池スタックの第２の端子に接続される、請求項１〜６のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池システムは、前記第２の燃料電池スタックと並列の第２の整流器をさらに備え、前記制御装置は、前記第２の燃料電池スタックの前記水和レベルを増加させる再水和間隔を提供するために、前記燃料電池システム上の電流需要とは独立して、前記第２の燃料電池スタックを通る空気流動を調節するように構成される、請求項１〜７のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御装置は、前記第１及び第２の燃料電池スタックの前記再水和間隔が重複しないように、前記第１及び第２の燃料電池スタックを通る空気流動を調節するように構成される、請求項８に記載の前記燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記第１及び第２の燃料電池スタックを通る前記空気流動を交互に調節するように構成される、請求項９に記載の前記燃料電池システム。
【請求項１１】
前記第２の整流器の第１の端子は、前記第２の燃料電池スタックの第１の端子に接続され、前記第２の整流器の第２の端子は、前記第２の燃料電池スタックの第２の端子に接続される、請求項８〜１０のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御装置は、前記第１及び／または第２の燃料電池スタックを通る前記空気流動を調節するために、ファンによって生成される前記空気流動の量を調節するように構成される、請求項１〜１１のいずれかに記載の前記燃料電池アセンブリ。
【請求項１３】
前記制御装置は、前記第１及び／または第２の燃料電池スタックを通る前記空気流動を調節するために、１つ以上の可変遮蔽部材の位置を調節するように構成される、請求項１〜１２のいずれかに記載の前記燃料電池アセンブリ。
【請求項１４】
前記第１の燃料電池スタックと直列の遮断整流器をさらに備える、請求項１〜１３のいずれかに記載の前記燃料電池アセンブリ。
【請求項１５】
燃料電池システムを動作させる方法であって、前記燃料電池システムは、
第１の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタックと直列の、第２の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタックと並列の、第１の整流器と、
を備え、前記方法は、前記第１の燃料電池スタックの水和レベルを増加させる再水和間隔を提供するために、前記燃料電池システム上の電流需要とは独立して、前記第１の燃料電池スタックを通る空気流動を調節すること
を含む、前記方法。
【請求項１６】
前記第１の整流器は、アクティブダイオードであり、前記方法はさらに、
前記アクティブダイオードが、それが順方向バイアスされたときに低い抵抗を提供し、逆方向バイアスされたときに高い抵抗を提供するように、それを動作させること
を含む、請求項１５に記載の前記方法。
【請求項１７】
燃料電池システムと関連した制御装置にロードされるように構成される、コンピュータプログラムコードを備える、コンピュータプログラムであって、前記燃料電池システムは、
第１の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタックと直列の、第２の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタックと並列の、第１の整流器と、
を備え、前記コンピュータプログラムコードは、
前記第１の燃料電池スタックの水和レベルを増加させる再水和間隔を提供するために、前記燃料電池システム上の電流需要とは独立して、前記第１の燃料電池スタックを通る空気流動を調節するように構成される、
前記コンピュータプログラム。
【請求項１８】
請求項１５または１６に記載の前記方法を実施するように構成される、コンピュータプログラムコードを備える、コンピュータプログラム。
【請求項１９】
前記第１の燃料電池スタックの水和レベルを増加させる再水和間隔を提供するために、関連した燃料電池システム上の電流需要とは独立して、第１の燃料電池スタックを通る空気流動を調節するために、制御装置上にロードされるように構成される、コンピュータプログラムコードを備える、コンピュータプログラム。
【請求項２０】
前記第１の燃料電池スタックと並列の、アクティブダイオードが、前記アクティブダイオードが順方向バイアスされたときに低い抵抗を提供し、前記アクティブダイオードが逆方向バイアスされたときに高い抵抗を提供するように、前記アクティブダイオードを動作させるために、制御装置上にロードされるように構成される、コンピュータプログラムコードをさらに備える、請求項１９に記載の前記コンピュータプログラム。
【請求項２１】
コンピュータプログラムであって、コンピュータ上で実行されるとき、前記コンピュータに、
以下の基準：
ｇ）燃料電池スタックコア温度が、最小コア温度閾値よりも大きいこと、
ｈ）燃料電池スタックコア温度が、最大コア温度閾値未満であること、
ｉ）周囲大気温度が、最大周囲大気温度閾値未満であること、
ｊ）前記燃料電池システムから引き出される電流が、最小電流閾値よりも大きいこと、
ｋ）前記燃料電池システムから引き出される電流が、最大電流閾値未満であること、及び
ｌ）ファンパルシングが禁止されているということを指示する、負荷デバイスまたは前記負荷デバイスと関連したアプリケーションからの信号が、受信されていないこと、
のうちの１つ以上が満たされたとき、燃料電池システム中の燃料電池スタックの再水和動作を開始させる、前記コンピュータプログラム。
【請求項２２】
コンピュータ上で実行されるとき、さらに、前記コンピュータに、
基準ａ）〜ｆ）のうちの１つ以上が満たされているかどうかを定期的にチェックさせ、基準ａ）〜ｆ）のうちの前記１つ以上が満たされている場合のみ、前記再水和動作を開始させる、請求項２１に記載の前記コンピュータプログラム。
【請求項２３】
コンピュータ上で実行されるとき、前記コンピュータに、前記燃料電池システム上の電流需要とは独立して、前記燃料電池スタックを通る空気流動を調節することによって、前記燃料電池システム中の前記燃料電池スタックの前記再水和動作を開始させる、請求項２１または２２に記載の前記コンピュータプログラム。
【請求項２４】
コンピュータプログラムであって、コンピュータ上で実行されるとき、前記コンピュータに、
以下の基準：
ｖｉ．スタック電圧が、前記再水和動作中の第１の閾値期間内に、電圧降下閾値量降下していないこと、
ｖｉｉ．コア温度が、前記再水和動作中に最大コア温度閾値よりも大きいこと、
ｖｉｉｉ．前記燃料電池スタックから外部負荷へ引き出される電流が、前記再水和動作中に最小電流閾値を下回ること、
ｉｘ．前記燃料電池スタックから外部負荷へ引き出される電流が、前記再水和動作中に最大電流閾値よりも大きいこと、
ｘ．即時の電力供給が必要であるということを指示する、負荷デバイスまたは前記負荷デバイスと関連したアプリケーションからの信号が、受信されていること、
のうちの１つ以上が満たされたとき、燃料電池システム中の燃料電池スタックの再水和動作を停止させる、前記コンピュータプログラム。
【請求項２５】
コンピュータ上で実行されるとき、さらに、前記コンピュータに、
基準ｉ）〜ｖ）のうちの１つ以上が満たされているかどうかを定期的にチェックさせ、基準ｉ）〜ｖ）のうちの前記１つ以上が満たされている場合のみ、前記再水和動作を停止させる、請求項２４に記載の前記コンピュータプログラム。
【請求項２６】
コンピュータ上で実行されるとき、前記コンピュータに、前記燃料電池システム上の電流需要とは独立して、前記燃料電池スタックを通る空気流動を調節することによって、前記燃料電池システム中の前記燃料電池スタックの前記再水和動作を停止させる、請求項２４または２５に記載の前記コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池システム、より具体的には、水素が燃料電池のアノード側に供給され、酸素が燃料電池のカソード側に供給され、水副産物が燃料電池のカソード側で産生され、そこから除去される、プロトン交換膜型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
そのような燃料電池は、合わせて膜／電極接合体（ＭＥＡ）を備える、２つの多孔質電極によって挟持された、プロトン交換膜（ＰＥＭ）を備える。ＭＥＡ自体は、従来、（ｉ）ＭＥＡのカソード面に隣接する第１の面を有する、カソード拡散構造（カソードガス拡散層など）と、（ｉｉ）ＭＥＡのアノード面に隣接する第１の面を有する、アノード拡散構造（アノードガス拡散層など）との間に挟持される。アノード拡散構造の第２の面は、電流収集のための、及びアノード拡散構造の第２の面に水素を分散するための、アノード流体流動フィールド板と接触する。カソード拡散構造の第２の面は、電流収集のための,カソード拡散構造の第２の面に酸素を分散するための、及びＭＥＡから過剰な水を抽出するための、カソード流体流動フィールド板と接触する。アノード及びカソード流体流動フィールド板は従来、それぞれが、反応性ガス（例えば、水素及び酸素）の送達、ならびに排出ガス（例えば、未使用の酸素及び水蒸気）の除去のための個々の拡散構造に隣接する表面中に、流体流動チャネルを有する、剛性、導電性材料を備える。
【０００３】
そのような燃料電池の動作において重要な考慮事項は、ＭＥＡ内の水の管理である。ＰＥＭ燃料電池の動作中、水素と酸素との間の反応からの生成水は、ＭＥＡの触媒部位において形成される。この水は、酸素がＭＥＡのカソード面に輸送されるのと同時に、カソード拡散構造を介してＭＥＡから排出されなければならない。しかしながら、電池の内部電気抵抗が、許容限度内にとどまることを確実にするために、ＭＥＡが好適に水和された状態のままであることも重要である。ＭＥＡ加湿の制御ができないと、ホットスポット、ならびに潜在的な電池の故障及び／または不十分な電池の性能を引き起こす。
【０００４】
水素と酸素との間の燃料電池電気化学反応中の主要な機能は、ＰＥＭを介したプロトン移動過程である。プロトン交換過程は、ソリッドステートＰＥＭが十分に水和されたときのみ生じる。不十分な水が存在すると、膜の水抵抗特徴は、プロトン移動過程を制限し、電池の内部抵抗の増加をもたらす。ＰＥＭの過飽和によって、過剰な水がＭＥＡの電極部分に「あふれ」、いわゆる三相反応界面へのガスの到達を制限する可能性がある。これらの事象の両方が、燃料電池の全体的な性能に悪影響を及ぼす。
【０００５】
水は、燃料電池反応の一部としてカソードにおいて産生されるが、全ＭＥＡにわたって水分平衡を維持することが不可欠である。乾燥空気が電池に導入される場合、吸気ポート周囲の範囲が他の場所よりも乾燥しているように、膜にわたった不平衡の水分散の生成の傾向がある。最終的に、これは、膜に機械的に圧力をかけ、不均一な電流分布をもたらし得、それらの両方が、早期故障をもたらす。これに対応するために、空気流を、その燃料電池の活性部分への送達前に予め加湿することが既知である。これは、システムの複雑さを増大させ、多くの場合、一部の燃料電池用途に対して非実用的であり得る。
【０００６】
開放カソード燃料電池において、カソード流体流動フィールド板は、周囲空気に開放されており、通常、ファンなどの低圧空気源によって補助され、それは、スタック冷却及び酸素供給の二重機能を提供する。これは、非常に単純な燃料電池システムが設計され、通常は加圧カソード及び加湿サブシステムを利用する燃料電池スタックと関連する、大きい寄生損失（すなわち、燃料電池サポートシステムの電力消耗）を回避することが可能である。しかしながら、空気流動の二重の目的（酸素送達及び空冷の両方に対する）は、空気流動要件における矛盾をもたらす可能性がある。カソード電極にわたって非常に高い化学量論的空気流動が冷却のために必要とされ、周囲条件及びスタック温度に応じて、これは、低い膜の含水量（低い性能をもたらす）、または極端な場合には、経時的な燃料電池スタックからの継続的な水の純損失をもたらす可能性があり、それは、最終的には、スタックの機能停止をもたらす。これは、スタック電力出力（電流密度）の設定レベルに対して、燃料電池ポリマー膜の含水量と、空気流動による水の除去速度との間で、平衡が達成されるためである。より低い電流、高い空気流動、及びより高温のスタックは、膜の含水量を低下させる傾向があり、逆に、より高い電流、より低い空気流動、より低温のスタックは、膜の含水量を増加させる。
【０００７】
国際公開第ＷＯ２００７／０９９３６０号は、燃料電池の水和レベルを増加させるために、再水和間隔中に、燃料電池アセンブリの外部の独立した電流需要に加えて、またはその代わりに、燃料電池スタックから引き出される電流を定期的及び一時的に増加させるための、スタック電力制御装置を有する、電気化学燃料電池アセンブリを開示する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様によると、
第１の燃料電池スタックと、
第１の燃料電池スタックと直列の、第２の燃料電池スタックと、
第１の燃料電池スタックと並列の、第１の整流器と、
第１の燃料電池スタックの水和レベルを増加させる再水和間隔を提供するために、燃料電池システム上の電流需要とは独立して、第１の燃料電池スタックを通る空気流動を調節するように構成される、制御装置と、
を備える、燃料電池システムが提供される。
【０００９】
そのような燃料電池システムは、第１の整流器が第１の燃料電池スタックに対する迂回経路を提供するため、再水和間隔中に燃料電池スタックが燃料電池システムから分離されることを必要としない場合がある。燃料電池システムは、第１の燃料電池スタックがより良好に、かつより一貫して調整されることを可能にすることができ、それは、その性能及び寿命を改善することができる。また、第１の燃料電池スタックの信頼性は増すことができ、故障の数は低減され得る。
【００１０】
制御装置は、定期的に第１の燃料電池スタックを通る空気流動を調節するように構成されてもよい。制御装置は、アクティブ値から、第１の燃料電池スタックを通る空気流動の量を定期的に減少させ、次いで、所定の期間後、第１の燃料電池スタックを通る空気流動の量を増加させ、アクティブ値に戻すように構成されてもよい。制御装置は、定期的に第１の燃料電池スタックを通る空気流動の量をゼロまで減少させ、次いで、所定の期間後、ゼロから、第１の燃料電池スタックを通る空気流動の量を増加させるように構成されてもよい。
【００１１】
制御装置は、燃料電池システムの測定されたパラメータに応答して、第１の燃料電池スタックを通る空気流動を調節するように構成されてもよい。
【００１２】
第１の整流器は、アクティブダイオードであってもよい。そのようなアクティブダイオードは、再水和間隔が提供され得る効率性を改善することができる。
【００１３】
第１の整流器の第１の端子は、第１の燃料電池スタックの第１の端子に接続されてもよい。第１の整流器の第２の端子は、第１の燃料電池スタックの第２の端子に接続されてもよい。
【００１４】
燃料電池システムは、第２の燃料電池スタックと並列の、第２の整流器をさらに備えてもよい。制御装置は、第２の燃料電池スタックの水和レベルを増加させる再水和間隔を提供するために、燃料電池システム上の電流需要とは独立して、第２の燃料電池スタックを通る空気流動を調節するように構成されてもよい。
【００１５】
制御装置は、第１及び第２の燃料電池スタックの再水和間隔が重複しないように、第１及び第２の燃料電池スタックを通る空気流動を調節するように構成されてもよい。制御装置は、第１及び第２の燃料電池スタックを通る空気流動を交互に調節するように構成されてもよい。
【００１６】
第２の整流器の第１の端子は、第２の燃料電池スタックの第１の端子に接続されてもよい。第２の整流器の第２の端子は、第２の燃料電池スタックの第２の端子に接続されてもよい。
【００１７】
制御装置は、第１及び／または第２の燃料電池スタックを通る空気流動を調節するために、ファンによって生成される空気流動の量を調節するように構成されてもよい。
【００１８】
制御装置は、第１及び／または第２の燃料電池スタックを通る空気流動を調節するために、１つ以上の可変遮蔽部材の位置を調節するように構成されてもよい。
【００１９】
燃料電池アセンブリは、第１の燃料電池スタックと直列の、遮断整流器をさらに備えてもよい。同様に、遮断整流器はまた、第２の燃料電池スタックと直列に提供されてもよい。
【００２０】
本発明のさらなる態様によると、燃料電池システムを動作させる方法が提供され、燃料電池システムは、
第１の燃料電池スタックと、
第１の燃料電池スタックと直列の、第２の燃料電池スタックと、
第１の燃料電池スタックと並列の、第１の整流器と、
を備え、方法は、
第１の燃料電池スタックの水和レベルを増加させる再水和間隔を提供するために、燃料電池システム上の電流需要とは独立して、第１の燃料電池スタックを通る空気流動を調節することを含む。
【００２１】
第１の整流器は、アクティブダイオードであってもよい。方法はさらに、アクティブダイオードが、それが順方向バイアスされたときに低い抵抗を提供し、逆方向バイアスされたときに高い抵抗を提供するように、それを動作させることを含んでもよい。
【００２２】
燃料電池システムと関連した制御装置にロードされるように構成される、コンピュータプログラムコードを備える、コンピュータプログラムが提供されてもよく、燃料電池システムは、
第１の燃料電池スタックと、
第１の燃料電池スタックと直列の、第２の燃料電池スタックと、
第１の燃料電池スタックと並列の、第１の整流器と、
を備え、コンピュータプログラムコードは、
第１の燃料電池スタックの水和レベルを増加させる再水和間隔を提供するために、燃料電池システム上の電流需要とは独立して、第１の燃料電池スタックを通る空気流動を調節するように構成される。
【００２３】
第１の燃料電池スタックの水和レベルを増加させる再水和間隔を提供するために、関連した燃料電池システム上の電流需要とは独立して、第１の燃料電池スタックを通る空気流動を調節するために、制御装置上にロードされるように構成される、コンピュータプログラムコードを備える、コンピュータプログラムが提供されてもよい。
【００２４】
コンピュータプログラムは、第１の燃料電池スタックと並列の、アクティブダイオードが、アクティブダイオードが順方向バイアスされたときに低い抵抗を提供し、アクティブダイオードが逆方向バイアスされたときに高い抵抗を提供するように、アクティブダイオードを動作させるために、制御装置上にロードされるように構成される、コンピュータプログラムコードをさらに備えてもよい。
【００２５】
コンピュータ上で実行されるとき、コンピュータに、
以下の基準：
ａ）燃料電池スタックコア温度が、最小コア温度閾値よりも大きいこと、
ｂ）燃料電池スタックコア温度が、最大コア温度閾値未満であること、
ｃ）周囲大気温度が、最大周囲大気温度閾値未満であること、
ｄ）燃料電池システムから引き出される電流が、最小電流閾値よりも大きいこと、
ｅ）燃料電池システムから引き出される電流が、最大電流閾値未満であること、及び
ｆ）ファンパルシングが禁止されているということを指示する、負荷デバイスまたは負荷デバイスと関連したアプリケーションからの信号が、受信されていないこと、
のうちの１つ以上が満たされたとき、燃料電池システム中の燃料電池スタックの再水和動作を開始させる、コンピュータプログラムが提供されてもよい。
【００２６】
コンピュータプログラムはさらに、コンピュータに、
基準ａ）〜ｆ）のうちの１つ以上が満たされているかどうかを定期的にチェックさせ、基準ａ）〜ｆ）のうちの１つ以上が満たされている場合のみ、再水和動作を開始させてもよい。
【００２７】
コンピュータプログラムは、コンピュータに、燃料電池システム上の電流需要とは独立して、燃料電池スタックを通る空気流動を調節することによって、燃料電池システム中の燃料電池スタックの再水和動作を開始させてもよい。
【００２８】
コンピュータ上で実行されるとき、コンピュータに、
以下の基準：
ｉ．スタック電圧が、再水和動作中の第１の閾値期間内に、電圧降下閾値量降下していないこと、
ｉｉ．コア温度が、再水和動作中に最大コア温度閾値よりも大きいこと、
ｉｉｉ．燃料電池スタックから外部負荷へ引き出される電流が、再水和動作中に最小電流閾値を下回ること、
ｉｖ．燃料電池スタックから外部負荷へ引き出される電流が、再水和動作中に最大電流閾値よりも大きいこと、
ｖ．即時の電力供給が必要であるということを指示する、負荷デバイスまたは負荷デバイスと関連したアプリケーションからの信号が、受信されていること、
のうちの１つ以上が満たされたとき、燃料電池システム中の燃料電池スタックの再水和動作を停止させる、コンピュータプログラムが提供されてもよい。
【００２９】
コンピュータプログラムはさらに、コンピュータに、
基準ｉ）〜ｖ）のうちの１つ以上が満たされているかどうかを定期的にチェックさせ、基準ｉ）〜ｖ）のうちの１つ以上が満たされている場合のみ、再水和動作を停止させてもよい。
【００３０】
コンピュータプログラムは、コンピュータに、燃料電池システム上の電流需要とは独立して、燃料電池スタックを通る空気流動を調節することによって、燃料電池システム中の燃料電池スタックの再水和動作を停止させてもよい。
【００３１】
コンピュータ上で実行されるとき、コンピュータに、本明細書に開示される制御装置、燃料電池システム、もしくはデバイスを含む、任意の装置を構成させるか、または本明細書に開示される任意の方法を実施させる、コンピュータプログラムが提供されてもよい。コンピュータプログラムは、ソフトウェア実装であってもよく、コンピュータは、非限定的な例として、デジタル・シグナル・プロセッサ、マイクロコントローラを含む、任意の適切なハードウェア、及びリード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）、消去可能リード・オンリ・メモリ（ＥＰＲＯＭ）、または電気的消去可能リード・オンリ・メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）中の実装とみなされてもよい。ソフトウェアは、アセンブリプログラムであってもよい。
【００３２】
コンピュータプログラムは、ディスクもしくはメモリデバイスなどの物理的コンピュータ可読媒体であってもよく、または過渡信号として具体化されてもよい、コンピュータ可読媒体上に提供されてもよい。そのような過渡信号は、インターネットダウンロードを含む、ネットワークダウンロードであってもよい。
【００３３】
ここで、本発明の実施形態が、一例として、かつ添付の図面を参照して記載される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】第１の燃料電池スタックと、第２の燃料電池スタックとを含む、燃料電池システムを示す。
【図２ａ】第１の燃料電池スタックの再水和間隔中の、図１の燃料電池システムを示す。
【図２ｂ】第２の燃料電池スタックの再水和間隔中の、図１の燃料電池システムを示す。
【図３】第２の燃料電池スタックの再水和間隔中の、図１のシステムに対する種々の電流及び電圧波形の図を示す。
【図４】再水和間隔を提供するための、燃料電池システムのシミュレーションモデルを示す。
【図５】図４のモデルに対するシミュレーション結果を示す。
【図６】再水和間隔の提供を試験するために使用される燃料電池システムを概略的に示す。
【図７】図６の燃料電池システムの試験からの結果のオシロスコープ図を示す。
【図８】理想ダイオードを通した再水和間隔の結果を示す。
【図９】図６の概略図に示されるものと同様であるシステムに対するオシロスコープ図を示す。
【図１０】燃料電池に対する標準的な分極曲線を示す。
【図１１】再水和間隔に対する分極曲線を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本明細書に開示される実施例は、第１の燃料電池スタックの水和レベルを増加させる再水和間隔を提供するために、第２の燃料電池スタックと直列である第１の燃料電池スタックを通る空気流動を調節するための、制御装置を含む、燃料電池システムに関する。本システムはまた、その空気流動が十分に低減されたとき、第１の燃料電池スタックを自動的に迂回し、それにより外部負荷から第１の燃料電池スタックを外す必要性を回避し、燃料電池システムからの電力出力が維持されることを可能にするために、第１の燃料電池スタックと並列の整流器も含む。
【００３６】
燃料電池スタックへの空気流動は、より高いスタック及びシステム効率性を達成するために、膜の含水量及び水除去速度の平衡（燃料電池スタックの既存の動作条件によって決定されるような）を一時的に乱すために、定期的に調節され得る。その手順は、短期間、燃料電池カソードにおいて過剰な水を産生し、続いてより高い性能でスタックを動作させると同時に、より低い含水量との平衡が徐々に再構築されることを伴う。その過程は、必要に応じてある特定の間隔の頻度で反復され得る。
【００３７】
過剰な水が産生されるこれらの短期間は、本明細書において「再水和間隔」または「ファンパルス」と称され、それらの表現は、そうでなければ燃料電池上の外部電気負荷及び温度などのその環境動作条件に基づき有効であるレベルを超えて、水和レベルを合目的的に増加させるために、燃料電池アセンブリがその動作環境を能動的に制御する期間を示すことを目的とする。これらの再水和間隔は、燃料電池スタックの性能及び／または寿命を改善することができる。
【００３８】
図１は、互いに直列の第１の燃料電池スタック１０２及び第２の燃料電池スタック１０４を含む、燃料電池システム１００を示す。外部負荷１１２は、燃料電池スタック１０２、１０４の直列配列にわたって接続される。
【００３９】
制御装置１１０は、第１及び第２の燃料電池スタック１０２、１０４を制御することが可能であるものとして、図１に概略的に示される。本実施例では、制御装置は、燃料電池スタック１０２、１０４の水和レベルを増加させる再水和間隔を提供するために、燃料電池システム１００上の電流需要とは独立して、第１及び第２の燃料電池スタック１０２、１０４を通る空気流動を調節するように構成される。この文脈において、表現「独立」は、燃料電池システム１００上の外部電気負荷１１２の急激なまたは過渡の変化からの独立性を示すことを目的とする。
【００４０】
空気流動のそのような調整はまた、ファンパルシングまたはカソードスロットと称されてもよく、燃料電池スタック１０２、１０４の水和レベルの増加に加えて、スタック１０２、１０４中の燃料電池のカソード側を洗浄することができる。
【００４１】
燃料電池システムはまた、第１の燃料電池スタック１０２と並列に接続される、第１の整流器１０６と、第２の燃料電池スタック１０４と並列に接続される、第２の整流器１０８とを含む。すなわち、第１の整流器１０６の第１の端子は、第１の燃料電池スタック１０２の第１の端子に接続され、第１の整流器１０６の第２の端子は、第１の燃料電池スタック１０２の第２の端子に接続される。また、第２の整流器１０８０の第１の端子は、第２の燃料電池スタック１０４の第１の端子に接続され、第２の整流器１０８の第２の端子は、第２の燃料電池スタック１０６の第２の端子に接続される。以下に記載されるように、第１及び第２の整流器１０６、１０８は、関連した燃料電池スタック１０２、１０４の水和間隔中に、迂回経路を提供する。
【００４２】
任意の第３及び第４の整流器１１４、１１６もまた、図１に示される。第３及び第４の器１１４、１１６は、遮断整流器／ダイオードの実施例である。第３の整流器１１４は、第１の燃料電池スタック１０２と直列であり、第４の整流器１１６は、第２の燃料電池スタック１０４と直列である。第１の整流器１０６は、第１の燃料電池スタック１０２及び第３の整流器１１４の直列接続と並列である。第２の整流器１０８は、第２の燃料電池スタック１０４及び第４の整流器１１６の直列接続と並列である。第３及び第４の整流器１１４、１１６は、それぞれが、関連した燃料電池スタック１０２、１０４が出力電圧を生成しているときに順方向バイアスされ、したがって伝導性であり、関連した燃料電池スタック１０２、１０４が出力電圧を生成していないときに逆方向バイアスされるように、互いと同じバイアスで直列接続される。このようにして、燃料電池スタック１０２、１０４は、それらが動作していない間、逆電流から保護される。
【００４３】
第３及び第４の整流器１１４、１１６は、燃料電池スタック１０２、１０４のカソード側上に任意に提供され得、燃料電池スタック１０２、１０４の再水和間隔中の脱ガス時に、逆電流フロー及び電気分解を防止することができる。
【００４４】
図２ａは、第１の燃料電池スタック２０２’の再水和間隔の図１の燃料電池システムを示す。この再水和間隔中、第２の燃料電池スタック２０４’は、正常に動作することができる。再水和間隔は、例えば、空気流動をゼロまで減少させることによって、第１の燃料電池スタック２０２’を通る空気流動を調節する、制御装置（図２ａには図示されず）によって提供される。したがって、第１の燃料電池スタック２０２’によって生成される電圧は、ゼロまで降下し、電流は、第１の燃料電池スタック２０２’の代わりに第１の整流器２０６’を通って流動し、それにより第１の燃料電池スタック２０２’を迂回する。対照的に、第２の整流器２０８’は、関連した第２の燃料電池スタック２０４’が出力電圧を生成している際に、逆方向バイアスされる。有意な量の電流を伝導していない部品は、図２ａ中、破線で示される。
【００４５】
図２ｂは、第２の燃料電池スタック２０４’’の再水和間隔中の、図１の燃料電池システムを示す。再水和間隔は、図２ａに関連して上記で考察されるものと同じ方法で、第２の燃料電池スタック２０４’’を通る空気流動を調節する、制御装置（図２ｂには図示されない）によって提供される。
【００４６】
図３は、図２ｂに示されるような、第２の燃料電池スタックの再水和間隔中の、図１のシステムに対する種々の電流及び電圧波形の図表を示す。再水和間隔は、時間ｔ１で開始する。
【００４７】
図表３０２は、第２の燃料電池スタックへの空気流動を示す。空気流動は、図１の制御装置によって調節される。空気流動３０２は、初期値で開始し、それは、再水和間隔の間の「アクティブ値」と称されてもよい。アクティブ値は、電気負荷の要件に従って自動的に設定及び調節され得る。
【００４８】
時間ｔ１後、第２の燃料電池スタックへの空気流動３０２は、アクティブ値からゼロまで減少する。本実施例では、空気流動３０２の段階的変化が適用されるが、他の実施例では、空気流動３０２のより漸進的な減少が使用されてもよい。時間ｔ１における空気流動３０２の変化は、空気流動がどのように調節され得るかの一実施例として、「ファン付き」から「非ファン付き」への動作モードの変化によるものであってもよい。
【００４９】
空気流動は、ルーバーなどの１つ以上の可変遮蔽部材の位置を調整し、それにより空気が燃料電池スタックを通って流動することを可能にする、または許可するために、遮蔽部材を選択的に開放及び閉鎖することによって、調節され得る。あるいは、または加えて、空気流動は、燃料電池スタックを通る空気を吹き込む、または吸い込むためのファンの動作を制御することによって、調節され得る。そのような実施例では、燃料電池スタックは、ファンが燃料電池スタックを通る空気を吸い込む、または吹き込むために使用されるとき、「ファン付き」動作モードで、かつファンが存在しているが使用されていない（例えば、電源が切られている）とき、「非ファン付き」動作モードで動作していると考えられてもよい。そのような「非ファン付き」動作モードは、空気流動が再水和間隔を提供するために、（ファンをオフに切り替えることによって）どのように調節され得るかの一実施例である。
【００５０】
空気流動３０２が再水和間隔の終了後にアクティブ値戻ることが理解されるが、これは、図３には示されない。
【００５１】
第２の燃料電池スタックへの空気流動３０２の除去後に、第２の燃料電池スタックの出力電圧は、図表３０６によって示されるように、徐々に減少し、時間ｔ２でゼロに達する。この時間の間、第１の燃料電池スタックの電圧は、図表３０４に示されるように、時間ｔ１とｔ２との間で一定のままである。それは、第２の燃料電池スタックへの空気流動の変化による影響を受けない。
【００５２】
第２の燃料電池スタックを通る電流は、図表３０８に示されるように、ｔ２まで一定のままである。ｔ２において、第２の燃料電池スタックの出力電圧３０６がゼロに達したとき、第２の燃料電池スタックを通る電流３０８は、減少し始める。ｔ３において、第２の燃料電池スタック通る電流３０８は、その最小値に達し、次いで再水和間隔の継続時間にわたって、その最小値で一定のままである。本実施例では、燃料電池スタックが、非ファン付き動作モードであるファンパルス中、電池を包囲する静的空気から、より低いレベルの水素及び酸素を電気に変換することがなお可能であるため、第２の燃料電池スタックを通る電流の最小値はゼロではない。
【００５３】
図表３１０は、第２の燃料電池スタックと並列である、第２の整流器を通る迂回電流を示す。迂回電流３１０が時間ｔ３でゼロから最大値まで増加することが、時間ｔ２とｔ３との間で見られる。迂回電流の増加は、２つの電流３０８、３１０の合計が一定になるように、第２の燃料電池スタックを通る電流３０８の減少と逆関係にある。これは、図表３１４からわかり、それは、負荷を通る電流が、再水和間隔の前及び間の両方において一定値であることを示す。
【００５４】
しかしながら、負荷における電圧は、図表３１２に示されるように、再水和間隔に減少する。第２の燃料電池スタックの出力電圧の減少（図表３０６に示されるような）は、負荷３１２における対応する電圧の減少を引き起こす。本実施例では、第１及び第２の燃料電池スタックは、同数の燃料電池を有し、それらが完全に動作しているとき、同じ出力電圧を生成する。したがって、負荷３１２にわたる電圧は、再水和間隔中に５０％減少する。
【００５５】
図３は、単一の燃料電池スタック（第２の燃料電池スタック）に対する再水和間隔を示す。同じ燃料電池システム中の他の燃料電池スタックに対して同様に再水和間隔を提供するために、同じ制御装置が使用され得ることが理解されるであろう。例えば、制御装置は、燃料電池システム中の第１及び第２の燃料電池スタックを通る空気流動を交互に調節するように構成される。いくつかの実施例では、第１及び第２の燃料電池スタックの再水和間隔が重複しないように、第１及び第２の燃料電池スタックが調節されることが有利であり得る。このようにして、燃料電池システムの負荷に供給される電流は、実質的に一定に保たれ得る。
【００５６】
図４は、再水和間隔を提供するための燃料電池システムのシミュレーションモデルを示す。図５は、図４のモデルに対するシミュレーション結果を示す。
【００５７】
図４のモデルは、第１の燃料電池スタックを代表する、第１の電圧源４０２と、第２の燃料電池スタックを代表する、第２の電圧源４０４とを含む。モデルはまた、図１と同様である、第１の整流器４０６と、第２の整流器４０８と、負荷４１２とを含む。可変抵抗器４２６は、第２の電圧源４０４と直列に示される。可変抵抗器４２６の抵抗は、第２の燃料電池スタックへの空気流動の量をモデル化するために使用される。
【００５８】
部品の値は、寿命末期（ＥＯＬ）分極曲線からとられるか、または推定される。６０．４８Ｖは、０Ａにおける分極曲線のオーム領域のインターセプト・ポイントに基づくスタック電位である。燃料電池スタック抵抗は、線形オーム領域に基づき、０．４２７５オームとしてモデル化される。可変抵抗器４２６の抵抗は、非ファン付き動作モードをモデル化するために、７．６３６５オームで設定され、それは、直列抵抗に対して７．５Ａを示す。
【００５９】
また、以下のセンサも図４に示される。
・第２の整流器４０８を通る迂回電流を測定するための、第１の電流計４２０、
・第２の電圧源／燃料電池スタック４０４を通る迂回電流を測定するための、第２の電流計４２２、及び
・第２の電圧源／燃料電池スタック４０４にわたる電圧を測定するための、電圧計４２４。
【００６０】
これらのセンサのそれぞれによってとられる測定値が、図５に示される。第２の整流器を通る迂回電流は、線５２０で示される。第２の電圧源／燃料電池スタックを通る電流は、線５２２で示される。第２の電圧源／燃料電池スタックにわたる電圧は、線５２４で示される。
【００６１】
図５は、水平時間軸上で、１秒で開始し、３秒で終了する、再水和間隔を示す。
【００６２】
シミュレーション結果は、ファン付き動作モードで、初期に電圧が印加された第２の燃料電池スタックを示す。１秒後、直列抵抗は、図４に示される可変抵抗器の抵抗を増加させることによって、直線的に増加する。この抵抗の増加は、燃料電池スタックが非ファン付き動作モードに移行する燃料電池スタックへの空気流動の減少を表す。
【００６３】
直列抵抗の増加は、線５２４によって示されるように、第２の燃料電池スタックにわたる電圧を、１秒〜１．２秒の間でゼロに降下させる。次いで、第２の燃料スタックを通る電流は、線５２２によって示されるように、１．２秒で３２Ａから２秒で７．５Ａに減少する。同時に、迂回ダイオードを通る電流は、線５２０によって示されるように、０Ａから２４．５Ａに増加する。したがって、負荷電流は、一定のままである。本実施例では、第２の燃料電池スタックが極端に低い抵抗経路（０．０００００１オーム）で迂回されても、それはなお、負荷に７．５Ａ（燃料電池のカソードにおける空気の可用性による）を寄与する。
【００６４】
回路がどのように再水和間隔／ファンパルスから回復するのかを例示するために、可変抵抗器の抵抗は、２秒後に減少し、ファン付き動作モードをモデル化する値まで戻る。第２の燃料電池スタック５２２を通る電流が、徐々に増加し、３２Ａまで戻ること、及び迂回電流がそれに対応して、徐々に減少し、２．８秒でゼロに戻ることがわかる。次いで、第２の燃料電池スタック５２４にわたる電圧は、その再水和間隔前のレベルまで戻る。
【００６５】
好適な時間間隔、例えば、２〜５分後、次の再水和動作が開始される（図４には図示されない）。電池電圧の有用な平均増加を提供するのに効果的である、任意の好適な時間間隔が使用されてもよい。温度及び湿度などの周囲条件に応じて、かつ燃料電池が一定の固定または可変負荷下で動作されているかどうかに応じて、時間間隔は、例えば、１分ほどの短い間でもよく、または２時間もの長い間でもよい。
【００６６】
燃料電池スタックへの空気流動は、燃料電池システムの測定されたパラメータ、例えば、スタックの「健康」または状態を代表するパラメータに応答して、再水和間隔を提供するように調節され得る。そのようなパラメータは、スタック電圧及びスタック電流を含むことができ、それらは、分極情報、したがってスタックの「健康」を提供する。一実施例では、再水和間隔は、測定されたパラメータのうちの１つ以上が閾値に達すると開始され得る。
【００６７】
あるいは、または加えて、再水和動作は、固定した定期ベースで自動的に実行され得る。再水和動作が行われない通常モードと、定期的及び一時的再水和動作が実施される再水和モードとの間で、燃料電池システム１００を切り替えるために、さらなる制御アルゴリズムが使用されてもよいことが理解されるであろう。再水和動作の周期性は、平均温度、湿度、電圧プロファイル、電流プロファイル、及び電力需要など、いくつかの測定可能なスタック動作パラメータに従って制御されてもよい。再水和間隔のデューティサイクルは、平均温度、湿度、電圧プロファイル、電流プロファイル、及び電力需要など、いくつかの測定可能なスタック動作パラメータに従って制御されてもよい。
【００６８】
いくつかの実装において、制御装置は、測定可能なスタック動作パラメータに基づき、再水和動作を開始するかどうかに関する決定を定期的に行うことができる。例えば、１０分毎に、制御装置は、１つ以上の測定可能なスタック動作パラメータを処理し、次いで、１つ以上の測定可能なスタック動作パラメータが１つ以上の基準を満たす場合のみ、再水和動作合を開始してもよい。同様に、再水和動作中、制御装置は、１つ以上の測定可能なスタック動作パラメータに従って、再水和動作をキャンセルまたは停止してもよい。そのようなキャンセルは、それが再水和動作の予定した終了前である、例えば、そうでなければ適用されるであろう再水和動作の所定の継続期間よりも短い可能性があるため、早期である場合がある。
【００６９】
再水和動作／ファンパルスは、以下の基準のうちの１つ以上が満たされた場合のみ開始され得る。すなわち、それは、以下の基準のうちの１つ以上が満たされていない場合、防止または延期され得る。あるいは、再水和動作／ファンパルスは、以下の基準のうちの１つ以上が満たされたとき、自動的に開始されてもよい。
【００７０】
ａ）燃料電池スタックコア温度が、カソード上の水分平衡が周囲空気への蒸発によって管理され得ることを確実にするのに十分に高いとみなされる温度など、最小コア温度閾値よりも大きい。一実施例では、最小コア温度閾値は、約３０℃、３５℃、もしくは４０℃の絶対値、またはスタックコアの目標作動温度よりも１５℃、２０℃、もしくは２５℃低い相対値であってもよい。スタックコアの目標作動温度は、約５５℃であってもよい。
【００７１】
燃料電池スタックコア温度は、燃料電池スタック内で測定される金属部品の温度として定義されてもよい。吸気温度の変動によって引き起こされるコア温度の変動を説明するために、コア温度は、燃料電池スタック内の種々の点において測定され得る。これは、システムの種類に応じて、１つの燃料電池スタック当たり２、３、または４つの位置であってもよい。２つのスタックを有するシステムにおいて、これは、例えば、コア温度が４、６、または８つの位置で測定され得ることを意味する。複数の温度値を有することは、複数の燃料電池スタックの組み合わせに対する、または分離した各燃料電池スタックに対する、最小、最大、及び平均中止温度を決定するための機会を提供することができる。
【００７２】
本実施例では、全ての測定されたコア温度の最小値（２つ以上ある場合は、複数の燃料電池スタックのそれぞれに対する）が、最小コア温度閾値と比較され得る。
【００７３】
上記で示されるように、ファンパルスの使用は、第１に、電池インピーダンスを低下させることによって、性能を高めることができる、カソード上の水の生成を通して、及び第２に、触媒の洗浄（非白金元素の還元）によって、システム性能及び効率性に対して、少なくとも２つの主要な利益を提供することができる。したがって、触媒を洗浄し、それにより利用可能な反応部位を増加または最大化するために、スタック中の十分な水レベルが存在する場合でさえ、効率性及び性能を維持するためにファンパルスすることが重要であり得る。これは、ファンパルスによってスタック中に過剰な水が生成され得る問題をもたらし得、それは、カソード洪水を引き起こし得る。したがって、最小コア温度閾値の使用は、ファンパルス動作を改善することができる。
【００７４】
ｂ）燃料電池スタックコア温度は、スタックコア温度がファンパルス後に冷却され、通常の動作温度まで戻り得ることを確実にするのに十分低いとみなされる温度など、最大コア温度閾値未満である。一実施例では、最大コア温度閾値は、約５５℃、６０℃、もしくは６５℃の絶対値、またはスタックコアの目標作動温度よりも２℃、５℃、もしくは１０℃高い相対値であってもよい。
【００７５】
本実施例では、全ての測定されたコア温度の最大値（２つ以上ある場合は、複数の燃料電池スタックのそれぞれに対する）が、最大コア温度閾値と比較され得る。
【００７６】
カソードへの酸素の供給を制限する（したがって、スタックの電圧の減少を引き起こす）ために、ファンを停止する過程は、スタックへの冷却用空気の減少をもたらす。結果として、ファンのスプールダウン時間の継続時間にわたって、反応空気の送達が引き続きあるが、スタックコア温度は、反応空気が停止し、反応が中止するまで上昇する。したがって、最大コア温度閾値の使用は、ファンパルス動作を改善することができる。
【００７７】
ｃ）周囲大気温度（燃料電池システム付近の）は、スタックコア温度が、ファンパルス後に冷却され、通常の動作温度まで戻り得ることを確実にするのに十分低いとみなされる温度など、最大周囲大気温度閾値未満である。一実施例では、最大周囲大気温度閾値は、約３５℃、４０℃、または４５℃の絶対値であってもよい。
【００７８】
ｂ）で上記に考察されるものと同じ理由で、所定の最大周囲大気温度の使用は、ファンパルス動作を改善することができる。
【００７９】
ｄ）燃料電池システムから引き出される電流は、流体制限を通して電池電圧を減少させるために、カソードからの酸素を消費するのに十分であるとみなされる電流レベルなど、最小電流閾値よりも大きい。一実施例では、最小電流閾値は、約０．０４６Ａ／ｃｍ２、０．０５１Ａｃｍ２、または０．０５４Ａ／ｃｍ２であってもよい。そのような電流閾値は、ｃｍ２の燃料電池の活性領域当たりの電流である。
【００８０】
スタック周囲の任意の空気の動きが、カソード面における空気の変化をもたらすため、燃料電池システムから引き出される（または引き出されるように試みられる）電流が、カソード面において存在することになる任意の新しい酸素を消費するのに十分であることが有利であり得る。
【００８１】
ｅ）燃料電池システムから引き出される電流は、最大電流閾値未満である。最大電流閾値は、周囲温度に基づき得、スタックがファンパルスから出てくるとき、空冷によって除去されなければならない排熱を制限することができる。制御装置は、周囲温度に対する測定値に従って、最大電流閾値のレベルを自動的に設定することができる。
【００８２】
一実施例では、最大電流閾値は、参照テーブル及び周囲温度の測定値を使用して決定され得る。概して、最大電流閾値は、周囲温度に反比例し得、すなわち、周囲温度が高くなると、最大電流閾値は減少する。
【００８３】
例示的な参照テーブルは、以下の情報を含有し得る。
【表１】
2016517159.tif 000003
【００８４】
ｆ）ファンパルシングが禁止されているということを指示する、負荷デバイスまたは負荷デバイスと関連したアプリケーションからの信号が受信されていない。
【００８５】
上記の通り、ファンパルシングの過程は、出力電圧の一時的な減少を引き起こし、したがって、燃料電池システムの正味電力出力を減少させる。この理由で、ファンパルストリガがまれに実施され得る、及び／またはそれが、負荷引き出しアプリケーションによって、いくつかの実施例ではソフトウェア通信によって、禁止され得る。いくつかの実装において、ファンパルシングが禁止されていないとき、再水和動作トリガは、定期的に、例えば、１０分の動作毎に実施され得る。
【００８６】
いくつかの実施例では、再水和動作／ファンパルスは、以下の基準のうちの１つ以上が満たされた場合、再水和動作／ファンパルスの途中で中止または停止されてもよい。場合によっては、再水和動作／ファンパルスは、燃料電池スタックに冷却用及び反応空気を供給するファンをオンにし、ルーバーを開放することによって、中止され得る。
【００８７】
ｉ．スタック電圧が、ファンパルス中の第１の閾値期間内に、電圧降下閾値量降下していない場合。電圧降下閾値量は、例えば、０Ｖ、０．５Ｖ、２Ｖであってもよい。第１の閾値期間は、再水和動作の開始後１０秒、１５秒、または２０秒であってもよく、それは、ファンパルスされる燃料電池スタックと関連したファンへの停止コマンドの発行であってもよい（スプールダウン時間）。例えば、ルーバーが閉鎖され、ファンが停止されているにもかかわらず、スタック電圧が過剰な酸素供給により降下できない場合、これは、ラムエア効果によるものであり得る。
【００８８】
燃料電池システムが駆動アプリケーション中にあり、アプリケーション中の順方向運動が、システムの空気吸入口において空気圧の増加を引き起こす場合、ラムエア効果が存在し得る。ラムエア効果は概して、それがシステム上の寄生負荷を増加させ、それにより冷却／反応ファンによる力をあまり必要としないため、有用であり得る。しかしながら、それはまた、例えば、ファンパルシング中、燃料電池スタックへの意図的ではない空気の送達を引き起こすなど、設計に課題をもたらす可能性がある。これは、ラムエアが入口において圧力を引き起こし、それが入口ルーバーの密閉を克服するときに生じ得る。この空気流の減少は、燃料電池中の反応（熱を生成する）を引き起こし得るが、十分な冷却用空気流は提供しない。
【００８９】
ｉｉ．燃料電池スタックコア温度が、ファンパルス中に最大コア温度閾値よりも大きい場合。最大コア温度閾値は、スタックコアの目標作動温度よりも５℃、１０℃、または１５℃高い相対値であってもよい。スタック電圧が降下しても、スタックコアの温度が高くなり過ぎる場合、これもまた、限られた反応部位には酸素が供給されているが、出力電圧を上昇させるには不十分な部位に供給されているように、十分な空気流を提供する、ラムエア効果によるものであり得る。
【００９０】
本実施例では、ファンパルスされている特定の燃料電池スタックのみに対する全ての測定されたコア温度の最大値が、最大コア温度閾値と比較され得る。
【００９１】
ｉｉｉ．燃料電池スタックから外部負荷に引き出される電流が、ファンパルス中に最小電流閾値を下回る場合。最小電流閾値は、０．０３６Ａ／ｃｍ２、０．０５１Ａ／ｃｍ２、または０．０５９Ａ／ｃｍ２であってもよい。システムから引き出される電流が、スタックが放電すること、または放電されたままであることを可能にする閾値を下回る場合、スタックの放電は、うまくいかない可能性がある。
【００９２】
ｉｖ．燃料電池スタックから外部負荷に引き出される電流が、ファンパルス中に最大電流閾値よりも大きい場合。上記の通り、最大電流閾値は、周囲温度に基づいてもよく、スタックがファンパルスから出てくるとき、空冷によって除去されなければならない排熱を制限することができる。一実施例では、最大電流閾値は、約ｘ、ｙ、またはｚであってもよい。
【００９３】
ｖ．即時の電力供給が必要であるということを指示する、負荷デバイスまたは負荷デバイスと関連したアプリケーションからの信号が、受信されている場合。
【００９４】
基準ａ）〜ｆ）及びｉ）〜ｉｖ）で、上記で言及される閾値のうちの１つ以上の値、または例えば、寿命を通した最良の効率性対供給される総エネルギーなど、燃料電池スタックの異なる寿命目標を達成することができる、トリガレジームを提供するために設定され得る。使用される特定の閾値は、特定のアプリケーションまたは燃料電池システムの使用目的によって決まり得る。
【００９５】
図６は、本明細書に開示されるような、再水和間隔の提供を試験するために使用した燃料電池システムを概略的に示す。図７は、関連した試験結果を示す。第１及び第２の燃料電池スタック６０２、６０４に対して、７２個の電池スタックを含有する燃料電池モジュールを使用した。
【００９６】
迂回能力を提供するために、第２の燃料電池スタック６０４にわたって並列にアクティブダイオード６０８を取り付けた。そのようなアクティブダイオード６０８はまた、理想ダイオードとも称され得る。アクティブダイオード６０８は、例示を簡単にするために、図６の従来のダイオードとして示される。しかしながら、アクティブダイオードは、整流器として挙動するために駆動される、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、任意にＭＯＳＦＥＴなどの能動的に制御されたスイッチによって、具体化され得ることが理解されるであろう。
【００９７】
負荷ユニット６１２を一定の負荷に設定し、第２の燃料電池スタックをファンパルス動作モードにし、その間、第２の燃料電池スタック６０４を通る空気流動を、それが定期的に、再水和間隔を開始するために減少し、再水和間隔を終了するために増加するように調節した。図６の左側の図面は、再水和間隔間の電流流路を示す。図６の右側の図面は、第２の燃料電池スタック６０４の電位が０Ｖまで低下した時点の、再水和間隔中の電流流路を示す。この時点で、アクティブダイオード６０８は、「ハードオン」に駆動され、それは、２５ｍＶのみがアクティブダイオードにわたって降下されるように制御されるＦＥＴを伴い得る。
【００９８】
図８に示されるように、両方の電流経路を通る電流を例示するために、０Ａ〜３０Ａの負荷電流（それは、迂回電流及びスタック電流の合計である）に対して、試験を繰り返した。
【００９９】
図７は、図６の燃料電池システムに対するオシロスコープ図を示す。具体的には、以下の値が示され、それらの全ては、図６で識別される：第２のスタック電位７２０（Ｖｓｔ２）；迂回電流７２２（Ｉｂｙｐａｓｓ）；第２のスタック電流７２４（Ｉｓｔ２）；及び負荷電流７２６（Ｉｌｏａｄ）。
【０１００】
本実施例では、再水和間隔に対して、第２の燃料電池スタックのカソードにわたる空気流を停止するために、ファンがスプールダウンされ、ルーバーが使用されるが、他の実施例では、これらの機構のうちの１つのみが使用されてもよい。いったんスタック電位７２０がゼロボルトまで低下すると、電流は、スタックを通るよりも迂回路を通って伝導し始める。スタックは、再水和間隔中に約１０／１１Ａを提供し続け、それは、スタック周囲の空気量及び／またはスタックの状態によるものであり得る。しかしながら、スタック電圧がマイナスになっていないため、それはなお安全な領域で動作しており、スタックはなおうまく調整されている。
【０１０１】
図８は、スタックがその非ファン付き状態でこの電流レベルを提供すること、及び迂回回路が負荷からの残りの電流の方向を変えることを確認する。図８の水平軸は、０Ａ〜３０Ａの負荷電流を示す（負荷電流は、迂回電流及びスタック電流の合計である）。縦軸は、個々のスタック及び迂回電流のレベルを表す。図８のスタック電流の非ゼロ値からわかるように、スタックは、静的空気から、ファンパルス中の出力に（より低い）電流を提供することが可能である。図８の迂回電流に対する値の増加は、システム電流の残りがどのように底部のスタック周囲にうまく供給され、それがファンパルスされ、分極曲線の安全な領域内にとどまり得るのかを示す。
【０１０２】
図９は、図６の概略図に示されるものと同様であるが、アクティブダイオードの代わりに従来のシリコンダイオード（またはＦＥＴのボディダイオード）を使用するシステムに対する、オシロスコープ図を示す。そのような部品を用いて燃料電池スタックを迂回させることは、スタックが結局、電池に損傷効果をもたらす可能性がある分極曲線の未知の領域に入る可能性があることを実証している。当該技術分野において既知の通り、燃料電池に対する分極曲線は、電池電圧を電流の関数として特徴付ける。
【０１０３】
図７と同じ方法で、図９は、以下の値を示す：第２のスタック電位９２０（Ｖｓｔ２）；迂回電流９２２（Ｉｂｙｐａｓｓ）；第２のスタック電流９２４（Ｉｓｔ２）；及び負荷電流９２６（Ｉｌｏａｄ）。
【０１０４】
本実施例では、燃料電池スタックと並列のダイオードは、スタックにわたって負電位を生成し（シリコンダイオードに対して約−０．６Ｖに固定され、電流が増加するにつれて１Ｖを超えて上昇する）、よりスタックに向かって電流共有の平衡を増加させる。負電位にもかかわらず、スタック上の電荷（アノードにおける水素の可用性による）が、電流が逆方向に流動しないことを意味するため、スタックはこの時点で電解されていない。いくつかの用途において、スタックのカソード上の阻止ダイオードは、脱ガス時の逆電流フロー及び電気分解を防止することができる。
【０１０５】
図７と図９との比較は、（スイッチまたは理想ダイオードよりも）従来のダイオードを使用することによって、それが、より多くの電流が再水和間隔中にスタックを通って流動し、電流を強制的にスタックに通すことによって、スタックにわたる電位が負になり、その分極図上の減少領域にスタックを配置させる可能性があり、それは、長期間の健康に対して有害であるため、不利であることを示す。また、図９は、迂回ダイオードが伝導し始めるのにかかる時間が、１秒を超えて長く、アクティブダイオードに対して必要とされるものよりも長いファンパルスをもたらすことを示す。より短いファンパルスは、スタックがより長く通常の動作モードで機能することを可能にし、それによりシステム全体の効率性を改善することが理解されるであろう。したがって、いくつかの用途において、アクティブダイオードまたはスイッチの使用は、特に有利であり得る。
【０１０６】
直列の複数の燃料電池スタックのうちの１つに対して、迂回回路として理想ダイオードを使用する、本明細書に開示される実施例は、スタックが独立してファンパルスされることを可能にする。理想ダイオードとして能動的に制御されたＭＯＳＦＥＴを使用することは、ファンパルシング中にダウンタイムがなく、エネルギーが消費されないように、ファンパルシングが生じるとき、スタック周囲の電流を迂回させることができる。パルスされたスタックは、０Ｖで保持され得るが、残りの帯電スタックからの電流は、それに何の効果も与えない可能性がある。これはまた、ファンパルスされたエネルギーが内部負荷などの模擬負荷へと浪費されることを防止することができ、燃料電池システム中の大電力抵抗器に対する要件を軽減することができる。
【０１０７】
二次的利益は、スタックがシステムから容易に分離され得ることであり（信頼性目的または最適化された駆動サイクル目的にかかわらず）、その間、システムは、低減されたレベルではあるが電力を負荷に提供し続けることができる。
【０１０８】
本明細書に開示される実施例は、空気冷却または蒸発冷却された燃料電池スタックに対して特に好適であり得る。
【０１０９】
本文書に開示されるシステムは、ファンパルシング時に燃料電池スタックが燃料電池システムから分離されることを必要としない可能性があり、再水和間隔は、従来技術で達成可能なものよりも短くなり得る。また、電池周囲の酸素を制御する重要性は、従来技術と比較して低減され得る。燃料電池スタックは、システム負荷に連続的に接続され得、不十分な空気密閉は、大電力抵抗器を使用するファンパルシング方法では当てはまるような燃料電池スタックへの損傷を与えない可能性がある。電力抵抗器が使用され、空気流がなお高い場合、スタックエネルギーは、ヒューズを飛ばし、ファンパルス能力を除去する可能性がある。また、電力抵抗器は、端子が損傷される可能性があるが、それは本明細書に開示されるシステムのうちの１つ以上に対して問題ではない場合がる。さらに、整流器が必要とされる迂回機能性を自動的に提供するため、迂回部品の外部制御は必要ない場合がある。例えば、アクティブダイオードの能動センシング回路は、それが正確な時間にオン及びオフになることを可能にする。
【０１１０】
燃料電池スタックは、本明細書に開示されるシステムを使用してより良好に、かつより一貫して調整され得、それは最終的に、その性能及び寿命を改善することができる。また、スタックの信頼性は増すことができ、故障の数は低減され得る。これは、少なくとも部分的に、そうでなければ再水和間隔中に損傷され得る、再水和間隔を支持するために使用される従来技術のシステムからの追加の部品の除去によるものである可能性がある。また、そのような追加の部品は、動作中に加熱され得、スタック性能の低下を引き起こし得る。
【０１１１】
本明細書の２つ以上の燃料電池スタックが、単一ペアのエンドプレート間に収容される燃料電池の２つ以上の別々にアドレス可能なセットにも平等に適用され得ることが理解されるであろう。そのような燃料電池のセットは、それぞれがそれら自体のエンドプレート間に収容される、複数の燃料電池スタックと動作的に同等であり得る。
【０１１２】
連結または接続されているものとして本明細書に記載される任意の部品が、直接または間接的に連結または接続され得ることが理解されるであろう。すなわち、１つ以上の部品が、連結または接続されていると考えられる２つの部品間に位置し得る一方でなお、必要とされる機能性が達成されることを可能にする。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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