(57)【要約】  燃料電池発電装置（５）が、燃料セルのスタック（６）を含み、燃料セルの各々が、アノード（９）と、カソード（１０）と、アノードおよびカソードの間に配置されたプロトン交換膜（１１）と、を含む。コントローラ（１７）は、負荷（５９）による負荷需要（６８）がないことを示す指標（６７）を認識して、プロセス空気送風機（３５）を利用する空気再循環ループ（４４〜４６）を作動させ（４５）、スタックの電力出力（５７）を負荷（５９）から補助負荷（６０）へと切り替える。この補助負荷（６０）は、スタックが臨界電圧、すなわちスタックがそれ以上になると燃料セルの腐食が容認できなくなる電圧で動作するときに、この補助負荷に印加される電流に応答して、所定の少量の電力を消費する抵抗を備える。燃料流および空気流もまた低減される（１６，４０）。コントローラは、臨界電圧に達した場合に、カソード再循環を増加させ、電圧が臨界電圧を僅かに下回った場合に空気流を増加させる。
2012504848.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）定置負荷に、もしくは（ｂ）乗物（５９）への原動力としての負荷に、電力出力（５７）を提供するように構成された固体高分子型燃料電池発電装置（５）の電力出力提供方法であって、
前記負荷により提供されるアイドル信号が、該負荷により要求される（６８）実質的な電力から、該負荷により要求されるほぼゼロの電力へ、の変化を示すことに応じて、
（ａ）前記乗物（５９）から、前記発電装置の前記電力出力（５７）を切断して、前記乗物の代わりに所定の固定抵抗型負荷（６０）を、前記電力出力に接続し、
（ｂ）前記発電装置の少なくとも一つの燃料セルの電圧を監視し、
（ｃ）空気入口に供給される空気の量を低下させ（４０）、
（ｄ）前記発電装置における前記燃料電池のカソード排気ガス（４２）を、前記燃料電池の空気入口（３４）に再循環させるステップであって、前記少なくとも一つのセルの電圧を臨界電圧未満、すなわちそれ以下ではセル内に腐食が過剰に発生しないような電圧未満に制限する排気ガス量でもって再循環させる、ことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置（５）の電力出力提供方法。
【請求項２】
前記ステップ（ｄ）の後に、前記再循環されるカソード排気ガスの量を調節することにより、前記電圧を前記臨界電圧に制限しながら、前記入口に供給される空気（４８）を可能な最高量に調節する（４０）ステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池発電装置（５）の電力出力提供方法。
【請求項３】
前記少なくとも一つのセルの前記電圧が前記臨界電圧に達した場合には、より少ない空気流と、より多くのカソード排気流と、を前記空気入口に供給し、前記少なくとも一つのセルの前記電圧が、前記臨界電圧を僅かに下回る電圧である第２の電圧まで低下された場合には、より多くの空気流と、より少ないカソード排気流と、を前記空気入口に供給することをさらに特徴とする請求項２に記載の固体高分子型燃料電池発電装置（５）の電力出力提供方法。
【請求項４】
前記臨界電圧が約０．８５Ｖ〜約０．８９Ｖであり、前記第２の電圧が約０．８３Ｖ〜約０．８５Ｖであることをさらに特徴とする請求項３に記載の固体高分子型燃料電池発電装置（５）の電力出力提供方法。
【請求項５】
前記臨界電圧が約０．８５Ｖであり、前記第２の電圧が約０．８３Ｖであることをさらに特徴とする請求項３に記載の固体高分子型燃料電池発電装置（５）の電力出力提供方法。
【請求項６】
（ａ）乗物の出力負荷、もしくは（ｂ）定置出力負荷に電力を供給するように構成された燃料電池発電装置（５）であって、
各セルが、アノード触媒層と、カソード触媒層と、前記アノード層と前記カソード層との間に配置されたプロトン交換膜と、を有する膜電極アセンブリを備えた、燃料セルのスタック（６）と、
前記アノード触媒層に隣接するように配置された燃料流れ場流路を有する多孔性かつ親水性のアノード水輸送板であって、任意選択的に前記アノード触媒層との間に付加的な層を有するアノード水輸送板と、
前記カソード触媒層に隣接するように配置された酸化剤流れ場流路を有する多孔性かつ親水性のカソード水輸送板であって、任意選択的に前記カソード触媒層との間に付加的な層を有するカソード水輸送板と、
を備え、さらに、
コントローラ（１７）と、
制御可能な燃料弁（１６）を介して前記燃料流れ場流路の入口に連結された燃料源（１４）と、
前記酸化剤流れ場流路（１０）の空気入口（３４）に、制御可能な量の空気を供給するように構成された空気源（４０）と、
送風機（３５）もしくは空気再循環送風機のいずれかを含み、前記コントローラに応答して、制御可能な量の酸化剤流れ場排気を前記酸化剤流れ場の前記入口へと再循環させるように構成された、選択的に動作可能な再循環ループ（４４〜４６）と、
を備えた燃料電池発電装置（５）において、
前記スタックが所定の臨界電圧を印加したときに、燃料電池スタックの最大電力における所定のごく一部の電力を消散させるように選択された抵抗型負荷（６０）と、
前記スタックの電力出力を、前記出力負荷もしくは前記抵抗型負荷に選択的に接続するように構成された制御可能なスイッチ（５５）と、を備え、
前記出力負荷は、前記コントローラに電力需要（６８）の指標（６７）を提供するように構成され、
前記コントローラは、実質的に電力需要がゼロの指標に応答して、（ａ）前記燃料入口に供給される燃料の量を低下させ、（ｂ）前記スタックを前記抵抗型負荷に接続するように前記スイッチを位置決めし、（ｃ）前記空気入口に供給される空気を低下させ、（ｄ）前記再循環ループを作動させるように構成され、かつ、電力需要の指標に応答して、（ｅ）前記スタックを前記出力負荷に接続するように前記スイッチを位置決めし、（ｆ）前記再循環ループを停止させ、（ｇ）前記燃料入口に供給される燃料の量を増加させ、（ｈ）前記空気入口に供給される空気を増加させるように構成されることを特徴とする燃料電池発電装置（５）。
【請求項７】
前記コントローラ（１７）は、前記再循環ループ（４４〜４６）に対し、制御された量の酸化剤流れ場排気（４２）を、空気入口（３４）に再循環させるように構成され、その制御された酸化剤流れ場排気の量は、前記燃料電池電圧を臨界電圧、すなわちそれ以下では燃料電池腐食が過剰に発生しないような所定の電圧に制限する量であることをさらに特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電装置（５）。
【請求項８】
前記コントローラ（１７）は、前記少なくとも一つのセルの前記電圧が前記臨界電圧に達した場合には、前記空気源（４０）および前記再循環ループ（４４〜４６）に対し、より少ない空気流と、より多くのカソード排気流と、を前記空気入口に供給させ、かつ、前記少なくとも一つのセルの前記電圧が、前記臨界電圧を僅かに下回る電圧である第２の電圧まで低下した場合には、前記空気源および前記再循環ループに対し、より多くの空気流と、より少ないカソード排気流と、を前記空気入口に供給させるように構成されることをさらに特徴とする請求項７に記載の燃料電池発電装置（５）。
【請求項９】
前記コントローラ（１７）は、前記臨界電圧を約０．８５Ｖに設定し、前記第２の電圧を約０．８３Ｖに設定することをさらに特徴とする請求項８に記載の燃料電池発電装置（５）。
【請求項１０】
前記コントローラ（１７）は、前記臨界電圧を約０．８５Ｖ〜約０．８９Ｖに設定し、前記第２の電圧を約０．８３〜約０．８５Ｖに設定することをさらに特徴とする請求項８に記載の燃料電池発電装置（５）。
【請求項１１】
前記燃料電池発電装置は、その電力出力を原動力として用いる乗物に配置されることをさらに特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電装置（５）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
燃料電池の劣化が生じるおそれのある臨界電圧値で運転する燃料電池とともに、最小限の電力を消費する予め選択された補助負荷を用いながら、燃料電池の電圧を、臨界電圧を下回る小さな範囲内に維持するように、外気およびカソード排出再循環ガスの量が調節される。
【背景技術】
【０００２】
ＲｅｉｓｅｒおよびＬａｎｄａｕによる特許文献１には、低電力レベルでの燃料電池発電装置の運転により、触媒および触媒担体材料に腐食をもたらす高いセル電圧が引き起こされることが記載されている。これにより低電力運転時に深刻な性能劣化が引き起こされる。頻繁に電力需要がゼロとなる乗物においては、頻発する発電装置の低電力アイドリングにより、時間が経つに従い性能劣化が増大する。
【０００３】
前述の特許文献はさらに、カソードへの空気入力を減少させるだけで燃料セルの各々に深刻な電流密度の不均等分布がもたらされることを指摘している。すなわち、燃料セルの空気入口付近の電流密度は非常に高いが、空気出口付近の電流密度は非常に低い。これにより、燃料セルの空気入口領域に過剰な加熱が生じ、更なる性能劣化や燃料電池コンポーネントの潜在的な破壊を引き起こすおそれがある。
【０００４】
前述の特許では、個々のセルで引き出される電圧を少なくともある程度は制御しながら、同時に、発生する電力を低下させるようにカソード排気がカソード空気入口に再循環される。これにより電流密度の不均等分布や腐食が低減される。前述の特許では、所望の電力出力が実際の電力出力との比較のために与えられる。実際の電力が所望の電力を上回る場合、電圧降下をもたらすようにカソード再循環が用いられ、電力調整装置が実際の電力出力を低下させる。これは所望の電力出力レベルもしくは臨界電圧のいずれかに到達するまで継続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４２０２９３３号明細書
【特許文献２】米国特許第４８５９５４５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
その方法における問題点は、電圧を臨界値よりも下に維持するために２０キロワットも発生させる必要があることである。このような電力は電池の充電や補助装置の駆動に用いられるが、多くの場合は単純に熱として消散される必要があり、特に乗物においては極めて困難な問題となりうる。
【０００７】
ＳｃｈｅｆｆｌｅｒおよびＶａｒｔａｎｉａｎの特許文献２は、カソード排気における酸素濃度や、その時点の電流出力における酸素のモル消費率、およびカソードへのガス流を含む、アルゴリズムを利用して、個々のセルを酸素欠乏から守るように空気利用を制御する。所望の空気利用を達成するように空気入口弁が上方もしくは下方に調節される。出力電力に対処する方法は開示されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
燃料電池スタックの低電力レベルでの運転時に燃料電池の電圧を制御するように、スタックが所定の補助抵抗型負荷に接続され、そのサイズにより、電圧が臨界値を僅かに下回る場合に存在する電流フローに関連する電力量を消散させる。この臨界値より上では触媒および／または触媒担体材料が腐食する。電流密度の不均等分布を回避すべくカソードを通る適切な流れを維持しながら利用可能な酸素を低減させることにより、要求される電圧を確立するように、カソード再循環流および入口空気流が調節される。空気入口の流速およびカソード再循環の流速は、弁、オリフィス、もしくは送風機の速度によって調節することができる。一例として、典型的な燃料電池発電装置では、低電力レベルにおいて利用される補助抵抗型負荷は１つのセル当たり約１／２ワットを消散させる必要がある。１００キロワットの発電装置では、これは約５００ワットとなる。結果として生じた熱は、能動的な発電装置熱管理システムを用いて消散させることができ、あるいは、放射および／または対流などの受動的な方法で周囲環境に伝達される。
【０００９】
添付図面に示した例示的な実施形態についての以下の詳細な説明から、本発明のその他の変形例がさらに明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】開放電圧の低電力制御に有用な、切換可能な補助負荷およびカソード再循環部を有する燃料電池発電装置の概略図。
【図２】燃料セルの一例の性能曲線。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１を参照すると、燃料電池発電装置５が、燃料セルのスタック６を含み、燃料セルの各々が、アノード触媒層と、カソード触媒層と、２つの触媒層の間に配置されたプロトン交換膜と、を含む。各燃料セルはまた、アノード触媒層に隣接する燃料反応ガス流れ場流路を有し、任意選択的に、燃料流れ場流路と触媒層との間に付加的な層を有する。また各燃料セルは、カソード触媒層に隣接する酸化剤反応ガス流れ場流路を有し、任意選択的に、酸化剤反応ガス流れ場流路とカソード触媒層との間に付加的な層を有する。これらは周知であり、図面には示されていない。
【００１２】
アノード９とカソード１０とがプロトン交換膜１１によって離間される。アノード９は、圧力調整器１５、および、コントローラ１７によって調節される流量制御弁１６を通流する燃料源１４からの燃料を受け入れる。アノードの燃料入口１９はまた、アノード燃料出口２３に導管２２によって連結された再循環ポンプ２１から導管２０を通じて再循環燃料を受け入れる。またコントローラ１７は、燃料電池から汚染物質および窒素などの不活性成分を除去するために、アノード排気のごく一部を定期的もしくは連続的に放出するように、パージ弁２５を作動させる。弁２５は、導管２７によりミックスボックス２８に連結されており、ここでアノード排気が導管２９からのカソード排気と混合される。導管３１中のミックスボックスからの流出物は周囲環境もしくはある種の管理された閉じ込め機構へと放出される。
【００１３】
カソード１０は入口３４において送風機３５から空気を受け入れる。フィルタ３８の入口３７に空気が加えられ、導管３９におけるフィルタの出口が、コントローラ１７によって調節される空気制御弁４０へと連通する。カソード出口４２は、再循環導管４４、弁４５、導管４６を通して送風機３５の入口４７へと連結され、この入口４７はまた導管４８により弁４０に連結される。再循環調節弁４５は、導管４６を渡って送風機３５の入口４７およびカソード空気入口３４へと戻る再循環空気があれば、コントローラ１７によりその量を調節するように動作される。
【００１４】
またカソード出口４２は、導管５０により逆止弁５１を通して導管２９へと連結されて、ミックスボックス２８にカソード排気を供給し、それにより、アノード排気中に残留しうる水素をミックスボックスが導管３１中に放出してしまう前にその水素を希釈する。
【００１５】
一例として、開示の実施例では、マイナスの符号で示す燃料セルスタックのアノード端部からの燃料セルスタック電力出力５４が、スイッチ５５を介して通常の電力調整器５６に連結され、これを図面に概略的に示す。電力調整器５６の出力５７が実負荷５９に連結され、これは乗物もしくはその他の電力使用装置である。燃料電池開放電圧の低電力制御に関して本明細書に記載するような補助負荷６０にスイッチが連結されるように示される。図面に概略的に示すように、この負荷は、プラスの符号で示すスタックのカソード端部に戻り配線６２によって連結される。
【００１６】
本実施例では、燃料電池開放電圧の低電力制御は、乗物、特に、交通もしくは乗客へのサービスの際の減速時や停止時にアイドリングするバスなど、無電力需要の期間が頻繁に繰り返される乗物に利用されるものとして記載される。
【００１７】
ここに記載される実施例では、乗物のアクセルペダル６８などの利用装置により要求される電力負荷を示す信号６７、あるいは、電力利用装置の様々な状態を示す総合負荷需要信号は、コントローラに対し、燃料電池スタックに求められる負荷５９への供給電力を指示する。信号６７が、（例えば、乗物のアイドリング時など）実質的に負荷需要が求められていないことを示す場合、コントローラは燃料電池スタック出力を補助負荷６０に接続するようにスイッチ５５を作動させる。一方、信号６７によって示されるように電力が要求されているとき、コントローラはスイッチ５５に対し、スタックの電気出力を負荷５９に接続させる。
【００１８】
図２は、場合に応じて、燃料セルもしくは燃料セルスタックの性能曲線の概略的な図を示す。どの電力レベルにおいても、性能曲線により電流密度に関連付けられた電圧が得られる。図２では、鎖線は性能曲線における最大電力出力付近の位置（Ｘ／２）を示す。最大電力は、性能曲線における直線部分の直線延長部（破線）の電圧（Ｘ）の約半分である。アイドリング時などの、性能曲線における最小電力出力を示す位置は、約０．９８Ｖの位置である。電流密度が小さいほど、電圧が高くなる。燃料電池開放電圧の制御は、図２に示す、約０．８５Ｖの断続線を上回る臨界電圧を超えて電圧が高くならないことを保証するものであり、この臨界電圧を超えると腐食や性能劣化が生じるおそれがある。
【００１９】
補助負荷６０は、その電流が、選択された電力消散レベルにおいて、性能曲線（図２）における電圧が幾分かの差（１ボルトの数百分の１）で臨界電圧を下回るような電流密度に関連する電流となるように選択される。典型的な例では、８５０ｍＶが適当な臨界電圧である。したがって、コントローラは、低電力需要時に電圧を８３０ｍＶ〜８９０ｍＶの間といった、小さい電圧範囲内に維持するように構成されうる。これにより、同時に臨界電圧を超えないことを保証するものとしての、所望の低電力出力がもたらされる。
【００２０】
信号６７が、乗物のアイドリング等で実質的に需要を示さない場合（ゼロもしくはほぼゼロ出力の場合）、スイッチ５５が補助負荷６０に移された状態で、スタックへの燃料および空気の入力が弁１６，４０を調節することにより双方とも低減され、低酸素含有量の多量のカソードガス流をもたらすカソード再循環流を生じさせるようにカソード再循環弁４５が開放される。低酸素含有量により、燃料電池内には取るに足らないほどの電流不均等分布しか発生しない、低い電流密度がもたらされる。
【００２１】
一実施例では、低電力需要期間中には、弁４５はコントローラ１７により完全に開かれ、開放したままにすることができる。このような場合、実電圧の制御は、カソードに供給される外気の量を制御する弁４０に属する。電圧が高すぎる場合、電圧が電圧下限に達するまで弁４０が一定量ずつ、大抵は反復しながら閉じられる。次いで電圧が上限に達するまで弁が一定量ずつ開かれる。他の実施例では、電圧が制限値の範囲内となるように弁４０が調節され、次いで電圧が制限値のうちの一方に達するまで調節されない。
【００２２】
また弁４５はコントローラ１７により連続的に制御される絞り弁でもよい。このような場合、コントローラは燃料電池開放電圧のその時点の低電力制御を用いるように予め決められたスケジュールに従って動作し、これは任意の特定の燃料電池発電装置１０について経験的に決めることができる。こうしたスケジュールは、カソードを通流するガス流が十分低い閾値に維持されながら同時に電圧が臨界値を下回るように制御されるように、設定される。これによりカソード再循環、場合によれば可能な最大限の再循環流を含むカソード再循環を利用する一方で、弁４０で入口空気を制御することにより、残りの必要とされる空気流れ量を提供する。
【００２３】
増加された再循環流により電圧が低下され、増加された空気流により電圧が増加されるため、臨界電圧に達するまで空気流を増加させ、次いで臨界電圧を僅かに下回る電圧である第２の電圧まで再循環流を増加させることにより、電圧を制御することができる。あるいは、電圧が、臨界電圧と第２の電圧との間の値となるまで再循環流および空気流のいずれかを調節してもよく、次いで電圧が変化して調節が必要となるまで調節は行われない。
【図１】
2012504848.tif 000003
【図２】
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【国際調査報告】
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2012504848.tif 000006