(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部負荷に電力を供給する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムを監視するための方法であって、
前記燃料電池スタックにより生成された実際のスタック作動電圧を監視し、
前記燃料電池スタックにより生成された実際のスタック作動電流を監視し、
前記燃料電池スタックの前記実際の作動電流を第１のテーブル参照値として使用して、参照テーブルでスタック予想電圧及び高側電圧変動限界を求め、
前記実際の作動電圧を前記予想電圧で除算することにより、実際の電圧変動信号を発生し、
前記実際の電圧変動信号を前記高側電圧変動限界と比較し、
前記実際の電圧変動信号が前記高側電圧変動限界外となった場合、第１の信号を発生する、各工程を備える方法。
【請求項２】
前記参照テーブルで低側電圧変動限界を求め、前記実際の電圧変動信号を前記低側電圧変動限界と比較する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第２のテーブル参照値として、前記燃料電池スタックの温度を用いる工程を更に備える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
第２のテーブル参照値として、前記燃料電池スタックの圧力を用いる工程を更に備える、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
外部負荷に電力を供給する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムを監視するための方法であって、
前記燃料電池スタックにより生成された実際のスタック作動電圧を監視し、
前記燃料電池スタックにより生成された実際のスタック作動電流を監視し、
前記燃料電池スタックの前記実際の作動電流を第１のテーブル参照値として使用して、該参照テーブルで予想高側作動電圧値を求め、
前記実際の作動電圧値を前記予想高側作動電圧値と比較し、
前記実際の作動電圧値が前記予想高側作動電圧値より高くなった場合、第１の信号を発生する、各工程を備える方法。
【請求項６】
前記参照テーブルで予想低側作動電圧値を求め、
前記実際の作動電圧値を前記予想低側作動電圧値と比較し、
前記実際の作動電圧値が前記予想低側作動電圧値より低下した場合、第２の信号を発生する、各工程を更に備える、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
第２のテーブル参照値として、前記燃料電池スタックの温度を用いる工程を更に備える、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
第２のテーブル参照値として、前記燃料電池スタックの圧力を用いる工程を更に備える、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
燃料電池システムのための監視装置であって、
燃料電池スタックと、
水素源と、
前記燃料電池スタックにより生成された実際のスタック作動電圧を測定する電圧センサーと、
前記燃料電池スタックにより生成された実際のスタック作動電流を測定する電流センサーと、
前記燃料電池スタックの前記実際の作動電流を第１のテーブル参照値として使用されてアクセスされ、予想低側作動電圧値を提供する、参照テーブルと、
前記実際の作動電圧値を前記予想低側作動電圧値と比較し、前記実際の作動電圧値が前記予想低側作動電圧値より低下した場合、第１の信号を発生する、第１の比較手段と、
を備える、監視装置。
【請求項１０】
前記参照テーブルは、予想高側作動電圧値を提供し、
前記監視装置は、
前記実際の作動電圧値を前記予想高側作動電圧値と比較し、前記実際の作動電圧値が前記予想高側作動電圧値より高くなった場合、第２の信号を発生する、第２の比較手段を更に備える、請求項９に記載の監視装置。
【請求項１１】
前記参照テーブルは、前記燃料電池スタックの温度を第２のテーブル参照値として使用する、請求項９に記載の監視装置。
【請求項１２】
前記参照テーブルは、前記燃料電池スタックの圧力を第２のテーブル参照値として使用する、請求項９に記載の監視装置。
【請求項１３】
燃料電池システムのための監視装置であって、
燃料電池スタックと、
水素源と、
前記燃料電池スタックにより生成された実際のスタック作動電圧を測定する電圧センサーと、
前記燃料電池スタックにより生成された実際のスタック作動電流を測定する電流センサーと、
前記燃料電池スタックの前記実際の作動電流を第１のテーブル参照値として使用されてアクセスされ、スタック予想電圧及び低側電圧変動限界を提供する、参照テーブルと、
前記実際のスタック作動電圧を前記スタック予想電圧で除算することにより実際のスタック電圧変動値を発生する、除算手段と、
前記実際のスタック電圧変動値を前記低側電圧変動限界と比較し、前記実際のスタック電圧変動値が前記低側電圧変動限界外となった場合、第１の信号を発生する、第１の比較手段と、
を備える、監視装置。
【請求項１４】
前記参照テーブルは、高側電圧変動限界を提供し、
前記監視装置は、
前記実際のスタック電圧変動値を前記高側電圧変動限界と比較し、前記実際のスタック電圧変動値が前記高側電圧変動限界外となった場合、第２の信号を発生する、第２の比較手段を更に備える、請求項１３に記載の監視装置。
【請求項１５】
前記参照テーブルは、前記燃料電池スタックの温度を第２のテーブル参照値として使用する、請求項１３に記載の監視装置。
【請求項１６】
前記参照テーブルは、前記燃料電池スタックの圧力を第２のテーブル参照値として使用する、請求項１３に記載の監視装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、より詳しくは、車両の推進力用の電力を生成するためＨ2の豊富なガスを消費する複数の電池を有するシステムに関する。
【０００２】
アメリカ合衆国政府は、米国エネルギー省により授与された契約番号ＤＥ−ＡＣ０２−９０ＣＨ１０４３５に従って本発明に関する権利を有する。
【０００３】
本出願は、「メタノールテイルガス（Methanol Tailgas）燃焼器の制御方法」という標題でデビッド・Ｊ・ハート−プレッドモア及びウィリアム・Ｈ・ペテットの名前で１９９９年７月２１日に出願された現在係属中の米国特許出願シリアル番号０９／３５８，０８０号（アトーニー整理番号Ｈ−２０２９７１））において開示され、請求範囲に掲げられた必須事項を開示する。米国特許出願の全内容は、これらを参照することによって本明細書中に組み込まれる。
【０００４】
【従来技術】
燃料電池は、多数の応用分野で電力源として使用されてきた。また、燃料電池は内燃機関に取って代わるため電気自動車の電力設備で使用するためにも提案されてきた。陽子交換膜（ＰＥＭ）型式の燃料電池では、水素が燃料電池のアノードに供給され、空気がカソードに酸化剤として供給される。ＰＥＭ燃料電池は、薄い陽子伝達性の固体ポリマー膜電解質からなる「膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）」を備え、固体ポリマー膜電解質は、その一方の面にアノード、反対側の面にカソードを有している。ＭＥＡは、（１）アノード及びカソード用の電流コレクターとして役立ち、（２）各々のアノード及びカソードの触媒の表面を通して燃料電池ガス状反応物を分配するための適切なチャンネル、及び／又は、開口を含む一対の導電性エレメントの間に挟まれている。複数の個々の電池は、一般には、ＰＥＭ燃料電池スタックを形成するため一緒に束ねられている。燃料電池という用語は、典型的には、文脈に応じて単一電池及び複数の電池（スタック）のいずれかに言及するため使用される。スタック内部の電池のグループは、クラスターと言及される。
【０００５】
ＰＥＭ燃料電池では、水素（Ｈ2）がアノード反応物（即ち燃料）であり、酸素がカソード反応物（即ち酸化剤）である。酸素は、純粋形態（Ｏ2）及び空気（Ｏ2とＮ2の混合物）のいずれでもよい。固体ポリマー電解質は、典型的には例えばフッ化硫酸などのイオン交換樹脂から作られる。アノード又はカソードは、典型的には細かく分割された触媒粒子を含み、これらの粒子は炭素粒子に担持され、陽子伝達性樹脂と混合されることが多い。触媒粒子は、典型的には、高価な貴金属粒子である。触媒で被覆された電極を含むこれらの膜電極アセンブリは、性能低下を防止するため、ある一定の制御された状態を製造し要求するので比較的高価である。
【０００６】
車両の応用に対しては、燃料電池用の水素源として例えばアルコール（例えばメタノール又はエタノール）或いは炭化水素（例えばガソリン）などの液体燃料を使用するのが望ましい。車両用のそのような液体燃料は、車内に蓄えるのが容易であり、液体燃料を供給するための全国的なインフラストラクチャーが存在する。しかしながら、そのような燃料は、燃料電池を燃料供給するためその水素含有成分を解放するように解離されなければならない。解離反応は、改質器として知られている化学燃料プロセッサ内部で混成状態で達成される。この改質器は、触媒隗を通して熱エネルギーを提供し、主要には水素及び二酸化炭素からなる改質ガスを与える。例えば、蒸気メタノール改質プロセスでは、理想的には、メタノール及び（蒸気としての）水が次の反応に従って水素及び二酸化炭素を生成するように反応される。
【０００７】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  −＞  ＣＯ2＋３Ｈ2
この改質反応は、反応を起こすため外部熱を必要とする吸熱反応である。
【０００８】
ＰＥＭ燃料電池によって消費するための水素の豊富な改質物を生成するため炭化水素燃料を処理する燃料電池システムが周知されており、１９９７年１１月にウィリアム・ペテットの名前で出願された現在係属中の米国特許出願シリアル番号０８／９７５，４４２号及び０８／９８０，０８７号、並びに、１９９８年１１月５日に出願された米国特許シリアル番号０９／１８７，１２５号で説明されている。これらの出願の各々は本発明の譲受人に譲渡されている。典型的なＰＥＭ燃料電池及びその膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、各々１９９３年１２月２１日及び１９９４年５月３１日に登録された米国特許５，２７２，０１７号及び５，３１６，８７１号で説明されている。それらの特許は本発明の譲受人であるゼネラル・モーターズ・カムパニーに譲渡され、発明者がスワシラニアンらとされている。
【０００９】
車両の動力プラントに対して、燃料電池内部の反応は、電池の完全な状態、並びに、その高価なポリマー製及び貴金属触媒成分を保存するという条件の下で実行されなければならない。アノード、カソード及び電解質層は各々ポリマーから形成されるので、そのようなポリマーは、過度の高温などの厳しい作動条件に曝される場合、柔らかくなり、或いは性能が劣化し得ることは明らかである。これは、スタック内で欠陥のある電池が存在する場合に生じ得る。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
スタック全体に亘る電圧を監視し、これを与えられた負荷又は電流に対する公称値としての予想電圧と比較することは、それが発生した後に問題を検出することである。かくして、実際の問題というより、燃料電池性能の劣化傾向を検出して燃料電池の劣化の可能性を減少させる方法及び制御を提供することが望ましい。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池のスタックを有する燃料電池システムで使用可能な制御方法である。該燃料電池スタックでは、該スタックに接続された外部負荷に電力を供給するため水素が酸化剤と反応する。本発明の制御方法は、
（ａ）  燃料電池スタックから生成された実際の電圧及び実際の電流を監視し、
（ｂ）  電圧及び電流間の所定の関係に基づき前記実際の電流の関数として予想電圧の大きさを決定し、
（ｃ）  前記実際の電圧及び前記予想電圧の大きさの偏倚値を計算し、
（ｄ）  前記計算された偏倚値が所定の偏倚値を超えた場合、信号を生成する、各工程を含む。
【００１２】
好ましくは、一定の又は異なる所定の偏倚値が異なる負荷即ち電力出力に対して設定される。また、異なる偏倚値が異なる燃料電池作動パラメータに対して設定される。
【００１３】
与えられた燃料電池に対する電圧及び電流間の所定関係は、電圧及び電流間の成極曲線として表される。
【００１４】
与えられた実際の電流に対する予想電圧と測定電圧間の偏倚は、予想電圧及び又は実際の電流に対する所定偏倚値と比較され、該所定偏倚値が正及び負方向のいずれかで超えられたかが決定される。計算された偏倚値が所定の偏倚値を超えた場合、警告又は救済処置が取られる。
【００１５】
別の態様では、本制御方法は、所定の電圧及び電流の関係に基づいて、実際の測定電圧の関数として電流の予想値を決定する工程も実行する。
【００１６】
本発明の監視制御方法は、燃料電池システムが燃料電池への水素の流れ速度を直接監視しない場合に独自の利点を提供する。本発明の制御方法は、所望の電力を生成する上で十分な水素が存在しない場合に、燃料電池が供給することができるよりも多くの電力が引き出されようとする時点を検出するため燃料電池の作動を監視する。本制御方法は、そのような条件の早期の警告を提供することによって、燃料電池スタックの永久的な劣化を防止するため修正措置が迅速に取られることを可能にする。
【００１７】
本制御方法は、現存する燃料電池コントローラで容易に実行することができる。更に、本制御方法は、任意型式の燃料電池で使用可能である。
【００１８】
本発明の様々な特徴、利点及び他の使用法は、次の説明及び図面を参照することによって更に明らかとなろう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は、その一態様において、受容可能とみなされた性能からの有意な変動を検出することによって燃料電池スタックの完全な状態を劣化から保護するための方法及びシステム、並びに、修正作用を適時に実行するための機会を提供する。燃料電池システムは、水素の豊富な流れを燃料電池のスタックに供給する燃料プロセッサを有し、該スタックでは、水素は、外部負荷に電力を提供するため、酸化剤、典型的には空気と反応する。
【００２０】
本発明の方法では、燃料電池スタックの電圧及び電流は、スタックの１又はそれ以上の確立された作動特性に基づいて受容可能とみなされるものに関して異常な性能を検出するために監視される。１つの態様では、燃料電池から出力された実際のあらゆる電力レベルに対して、与えられた負荷においてその予期された電力出力又はその範囲が存在する。より詳しくは、燃料電池スタックは、与えられた電流における電圧、又は、逆に与えられた電圧における電流の特性により特徴付けることができる。この特性は、電流電圧間の特性曲線として表すことができ、成極曲線（polarization curve）とも呼ばれている。成極曲線のファミリーは、燃料電池スタックの作動条件の関数として決定可能である。これらの作動条件は、スタック圧力、温度、水素の量、酸化剤（Ｏ2）の量、Ｏ2を伴う空気中の窒素、ＣＯ（一酸化炭素）の量、及び水素の豊富な燃料流れ中の他のより少ないガスを含むが、これに限定されるものではない。簡単な観点では、与えられた作動条件又は作動条件の範囲に対して、比較的公称値通りの成極曲線及びこの曲線からの受容可能な変動、又は、そのような作動条件に対する禁止帯を確立することが可能である。
【００２１】
電流（Ｉ）及び電圧（Ｖ）の間の関係は、負荷の関数として燃料電池スタックに対して設定することができる。これは、典型的には、図３の成極曲線に例示したように、逆比例の関係である。１つの態様では、実際の電流と実際の電圧との間の関係が禁止帯即ち曲線の回りの変動限界外側にある場合、診断、警告、停止、又は減少された燃料電池の電力出力が生成される。
【００２２】
別の態様では、ＶとＩとの間の関係は、多数のスタック作動変数に基づいて曲線群のファミリーに従って変動することが予想される。スタックの作動変数が実際の予想された受容可能な性能に影響を与えるところの範囲は、スタック及びそれが使用されるシステムの設計特徴に関して変動する。特定のスタックが作動条件の変数、例えば圧力（Ｐ）、温度（Ｔ）、供給ガスの流れ及び濃度などに敏感である場合、多数の成極曲線が診断の精度を向上させるため選択される。成極曲線という用語は、本明細書中で利便性のため使用され、特定の燃料電池スタックのファミリー即ち多重成極曲線を包含する。
【００２３】
より詳しくは、燃料電池を内部で使用するシステムは、典型的に、幅広い範囲の作動条件にさらされている。例えば、燃料プロセッサが生成した供給ガスの温度及び圧力の高度の可変性は、多重成極曲線の必要性を示している。作動中のスタック内部の熱力学的及び電気化学的現象は、生成された電力レベルに影響を与える。従って、１つの態様では、本発明は、電圧と電流との間の関係を、例えばスタック温度及び圧力などの上記した他の作動変数によって変更されるように設定することを意図している。次に、当該関数関係からの変動は、監視されたＶ、Ｉ、Ｔ及びＰに基づいて計算される。別の態様では、比較的簡単化された手段は、公称値通りの、実質的に一定である温度、圧力及び他のスタック変数に基づく電圧−電流関係の受容可能な変動レベルに基づいている。実際のスタック電圧及び電流が監視され、実際の電力及び予想された電力の間の変動が決定される。その結果、多数の可能なアプローチが、包含された作動変数の複雑さ及び数に応じて、実際の電力を予想された受容可能な電力に比較するために使用可能となる。
【００２４】
このことは、図１に例示としてのみ示された燃料電池を参照して、更により良く理解されよう。従って、本発明を更に説明する前に、燃料電池スタックの作動の監視及び制御が内部で発生するシステムを理解することが有用である。
【００２５】
図１は、燃料電池システムの一例を示している。このシステムは、車両の推進のエネルギー源として車両（図示せず）で使用することができる。本システムでは、単位体積当たり比較的高い水素含有量を有する改質ガスを生成するため、改質プロセス及び優先酸化プロセスによって、例えば炭化水素が処理される。従って、水素の豊富な、即ち比較的高い水素含有量という用語は、構成要素の相対量を表すため、モル単位に交換可能な量である体積単位に関するそのような含有量をいう。
【００２６】
本発明は、メタノール（MeOH）から用意された改質物質によって燃料供給される燃料電池という文脈で以下に説明される。しかしながら、本明細書で具体化される原理は、使用される燃料即ち水素源によらず、一般の燃料電池に等しく適用可能であることが理解されるべきである。水素を生成するため使用される、例えばエタノールやガソリンなど他の改質可能な炭化水素及び水素含有燃料が存在する。
【００２７】
図１に示すように、燃料電池装置は、水素の豊富な改質ガスの流れを形成するため、再循環ベッド１０及び触媒ベッド１２上でメタノールの流れ６からのメタノールと、水の流れ８からの水即ち水蒸気とを触媒反応させるための燃料プロセッサ２を備えている。熱交換器１４が触媒ベッド１２及び優先酸化（PROX）反応器１６の間に介在されている。改質出力ガスの流れは、主要にはＨ2及びＣＯ2からなるが、Ｎ2、ＣＯ及び水も含んでいる。改質物の流れは、ＣＯレベルを受容可能なレベル（即ち２０ＰＰＭ以下）にまで減少させるため、優先酸化（ＰＲＯＸ）反応器１６を通過する。次に、Ｈ2が豊富な改質物２０は、バルブ３１を通って燃料電池２２のアノードチャンバーに供給される。同時に、酸化剤の流れ２４からの酸素（例えば空気）は、燃料電池２２のカソードチャンバーに供給される。改質物の流れ２０からの水素と、酸化剤の流れ２４からの酸素とは、電流を生成するため燃料電池２２内で反応する。
【００２８】
燃料電池２２のアノード側からの排出物即ち流出物２６は、未反応の水素を含んでいる。燃料電池２２のカソード側からの排出物即ち流出物２８は、未反応の酸素を含んでいる。酸化剤の流れ２４のための空気は、コンプレッサ３０によって提供され、通常の作動条件の下でバルブ３２によって燃料電池２２に差し向けられる。しかしながら、その詳細が更に後述されるように、始動中では、バルブ３２は、燃料プロセッサ２を加熱するため使用される燃焼器３４の入口に空気を提供するため作動される。
【００２９】
熱交換器１４からの熱は、燃料プロセッサ２内で触媒ベッド１０及び１２を加熱し、始動中では優先酸化反応器１６も加熱する。この点に関し、燃料プロセッサ２に供給されるＨ2Ｏ−ＭｅＯＨ混合物は、気化され、好ましくは、燃料プロセッサ２内の再循環ベッド１０、ベッド１２の熱交換器側、優先酸化反応器１６、及び熱交換器１４を通って再循環／逆流されるのがよく、これによって当該混合物は、熱交換器１４からの熱を燃料プロセッサ２のベッド１０及び１２、並びに、優先酸化反応器１６に輸送するための熱輸送媒体としても機能する。
【００３０】
熱交換器１４それ自体は、触媒燃焼器２４から出た排気ガス３６から加熱される。熱交換器１４から出たガス３６は、まだ熱く、図示しない膨張器を通って流れるようにしてもよく、これはコンプレッサ３０を駆動し、又は、別の態様でも利用され得る。図１に示されるように、本手段では、燃料プロセッサ２からの排気ガスは、大気中に排出される前にレギュレータ３８、シャットオフバルブ２４０及びマフラー２４２を通過する。
【００３１】
ＭｅＯＨ蒸気４０は、燃焼器３４の排気端部４４に入れられた蒸発器４１から発散する。蒸発器４１は、車両の燃料タンクから燃料計量装置４３によって蒸発器４１に提供される例えば液体ＭｅＯＨ４６などの最初の燃料流れを蒸発させるため、燃焼器３４の排気端部から熱を抽出する熱交換器である。蒸発器４１から出たＭｅＯＨ蒸気４０及びアノード流出物２６は、燃焼器３４の各々入口端部４２及び排気端部４４の中間に位置する燃焼器３４の触媒区分４８で反応される。酸素は、コンプレッサ３０（即ち、バルブ３２を介して）、及び、第２の空気流れ、例えばシステム作動条件に応じたカソード流出物流れ２８などのいずれかから燃焼器３４に提供される。バルブ５０は、燃焼器の排気物３６の大気中への排出を、それが燃料プロセッサ２内で必要とされなくなるときに可能にする。
【００３２】
燃焼器３４の構成に関する詳細は、１９９７年１１月にウィリアム・ペテットの名前で出願された、現在係属中の米国特許出願シリアル番号０８／９７５，４２２号及び０８／９８０，０８７号を参照することによって得ることができる。これらの全内容は、参照することによって本明細書中に組み込まれる。
【００３３】
電気加熱エレメント５２が、燃焼器３４の触媒ベッド４８の上流に提供され、燃焼器３４に流入する液体燃料４６を蒸発させ、燃焼器３４の始動中にベッド４８を予備加熱するのみならずベッド４８に入るガスを加熱するため役立つ。加熱エレメント５２は、触媒化されても、触媒化されていなくてもよい。始動後には、後述するように、電気ヒーター５２は、燃料が燃焼器３４の排気端部４４から発散する排気ガスによって蒸発されるので、もはや必要とはされない。好ましい電気ヒーター５２は、市販されている、触媒化されていない押し出し成形された金属モノリス抵抗エレメントを含み、このエレメントは、例えばＩＣエンジンの排気ガスを取り扱うため使用される触媒コンバーターの触媒を着火するため使用される。
【００３４】
燃焼器３４の排気端部４４は、燃焼器３４に燃料供給するように液体燃料を蒸発させるために使用される金属配管のコイルである蒸発器４１を囲むチャンバーを備えている。より詳しくは、通常の後始動条件の下では、空気又はカソード流出物２８は、コイルの入口端部に導入され、従来の自動車型式の燃料インジェクタを介して当該入口端部に噴霧された液体燃料と混合され得る。飛行中の霧状化された燃料は、複数巻きに巻かれた加熱コイルチューブを通過し、その中で蒸発し、カソード流出物供給配管に配置された出口でチューブから出る。この蒸発した最初の燃料流れは、燃料電池装置の遷移及び定常状態の必要性に合致するため必要とされ得るような燃焼器３４の燃料として、第２の燃料流れ即ちアノード流出物２６を増補する。蒸発器のコイルは、最小の燃焼器排気流れ速度で最大の流れ速度の燃料を蒸発させるように寸法が定められ、その燃料作動範囲を通して、該コイル中のＭｅＯＨ及び空気の混合物の自動点火温度を超える温度で作動するように設計されている。しかしながら、蒸発器内の自動点火は、コイルを通って流れる混合物の速度が、入口の流れの組成物に関して変動する混合物の最悪の場合の炎速度を有意に越えるということを保証することによって避けられる。
【００３５】
燃料プロセッサ２により要求される、燃焼器３４により供給されるべき熱量は、燃料の導入量及びひいては燃料プロセッサ２内の所望の反応温度に依存する。燃料プロセッサ２の熱要求量を供給するため、燃焼器３４は、全てのアノード排気物即ち流出物と、可能な液体燃料とを利用する。エンタルピー方程式は、カソード排気物の量即ち、燃焼器３４で要求された所望の温度に合致させるため、及び、最終的には燃料プロセッサ３４の要求を満足させるため燃焼器３４に供給されるべき空気の量を決定するため使用される。燃焼器３４に提供される酸素即ち空気は、燃料電池２２のカソードに供給される全酸素のうち典型的にある割合を占めるカソード流出排気物２８、及び、コンプレッサ出力空気の流れの一方又はその両方を含んでいる。コンプレッサ出力空気の流れは、当該装置が、コンプレッサ空気の流れが独占的に用いられる始動モード、或いは、カソード流出物２８及び／又はコンプレッサの空気を使用した動作モードのいずれで作動するかに依存する。動作モードでは、任意の全空気、酸素、或いは、カソード流出物２８により合致されていない燃焼器３４で必要とされる希釈要求量は、所望の温度で燃料プロセッサ２により要求される熱量を供給するように燃焼器３４内の所望の反応温度に到達するためエンタルピー方程式を平衡させる量がコンプレッサ３０により供給される。空気制御は、空気希釈バルブ４７を介して実行される。この空気希釈バルブ４７は、燃焼器３４に供給されるカソード排気物の抜き取り量を制御するため可動のオリフィスを有するステッパーモータで駆動するバルブである。
【００３６】
燃料電池装置は、以下のように作動する。燃料電池装置が低温で始動中である作動の開始時では、（１）コンプレッサ３０がシステムに必要とされる空気を提供するため外部電源（例えばバッテリー）から付勢される電気モータによって駆動される。（２）空気が、燃焼器３４並びに蒸発器４１の入力端部に導入される。（３）液体燃料４６（例えばＭｅＯＨ）が燃料インジェクタを介して蒸発器４１の入口端部に注入され、空気がその中を流れる状態で細かい液滴として霧状化される。（４）空気及びＭｅＯＨの混合物が蒸発器４１から出て、燃焼器３４に導入されたコンプレッサから出力された空気と混合し、次いで燃焼器３４の入力端部４２に導入される。（５）混合物は、燃焼器３４の前部にある炎捕獲器を通過する。（６）次に、混合物は、液滴を蒸発させて当該混合物を加熱するため加熱器５２によって加熱される。（７）次に、予備加熱された蒸発混合物は、ライトオフ触媒ベッドと接触する前に、更なる緊密な混合を達成するため混合媒体ベッドに流入する。（８）混合媒体ベッドを出ると直ぐに、混合物は、それが主要な触媒ベッド４８即ち燃料の事実上の完全な燃焼が行われる燃焼器３４の反応区分に入る前に、ライトオフ触媒ベッド上で酸化され始める。（９）触媒ベッドから出た高温排気ガスは、燃料プロセッサ２と連係する熱交換器１４に輸送される。
【００３７】
一旦、燃料プロセッサの温度が改質プロセスを実行し、それを維持するのに十分に上昇すると、次の工程が実行される。即ち、（１）バルブ３２は、燃料電池２２のカソード側に空気を向けるため付勢される。（２）ＭｅＯＨ及び水が、改質反応を開始するため燃料プロセッサ２に供給される。（３）燃料プロセッサ２から出た改質物は燃料電池２２のアノード側に供給される。（４）燃料電池２２からのアノード流出物２６が燃焼器３４に向けられる。（５）燃料電池２２からのカソード流出物２８が燃焼器３４に向けられる。（６）空気が蒸発器４１に導入される。（７）液体メタノールが蒸発器３１に噴霧される。（８）メタノール−空気の混合物は、ＭｅＯＨが蒸発するところの加熱された蒸発器コイルを通って循環する。（９）次に、カソード流出物２８と一緒になった空気−ＭｅＯＨV混合物がアノード流出物２６と混合される。（１０）当該混合物は燃焼器３４の触媒ベッド上で燃焼される。
【００３８】
通常の（即ち後始動の）作動状態の間、蒸発器４１のみがＭｅＯＨを蒸発させ、ＭｅＯＨ−空気混合物を予備加熱するので、加熱器４２は、使用されない。ある一定の条件の下では、後述するように、燃焼器３４は蒸発器４１からの追加のＭｅＯＨ燃料の必要無しにアノード及びカソード流出物で単独に作動することができる。そのような条件下では、燃焼器３４へのＭｅＯＨの注入は中断される。他の条件、例えば電力要求が増大するような条件下では、増補の燃料が燃焼器３４に提供される。
【００３９】
上述したように、燃焼器３４は、例えば、メタノール−空気混合物、並びに、燃料電池２２のアノードからのアノード流出物２６などの多種の燃料を受け取る。燃料電池２２のカソードからの酸素希釈排出空気及びコンプレッサ３０からの空気も燃焼器３４に供給される。
【００４０】
本実施形態の燃料電池によれば、図１に示されたコントローラ１５０は、燃焼器３４の作動を制御する。所望ならば、アノード排出物即ち流出物に、液体燃料即ちメタノールを加えたものが燃焼器３４のエネルギーの要求を支持するようにしてもよい。エンタルピーのバランスは、全ての燃料プロセッサの熱的要求と合致させるため燃焼器３４に供給された、一定量の空気及び／又はカソード排出物を温度制御することによって所望の反応を維持する。
【００４１】
装置の構成要素のエネルギー要求が電力（power）という用語で本文中で表されたことに着目されたい。これは便宜のためエネルギー率を表し、毎秒のＢＴＵというよりキロワットの単位で表されることが多い。
【００４２】
コントローラ１５０は、任意の適切なマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、パーソナルコンピュータなどからなり、これは制御プログラム及びメモリ中に格納されたデータを実行することが可能な中央処理ユニットを有する。コントローラ１５０は、燃焼器３４に特化した専用コントローラであってもよく、或いは、主要な車両用電子制御モジュールに格納されたソフトウェアで実行されてもよい。更に、次の説明は様々なモードの作動即ちシーケンスで燃焼器３４を制御するための制御プログラムに基づくソフトウェアを述べているが、燃焼器の制御は専用の電子回路によって部分的又は全て実行されてもよいことが理解されよう。
【００４３】
コントローラ１５０は、５つの異なるモード即ち作動シーケンスで燃焼器３４の作動を制御する。個々のモードの作動は、（１）燃焼器の始動、（２）燃料プロセッサのウォームアップ中の燃焼器の作動、（３）燃料電池がオフラインの状態における燃料プロセッサの始動中の燃焼器の作動、（４）燃料電池スタックがオンラインの状態における燃料プロセッサ駆動モード中における燃焼器の作動、（５）燃焼器の停止を含む。
【００４４】
上述した燃料電池装置の構成及び作動の全モードにおける燃焼器３４の作動に関する更なる詳細事項は、「メタノールテイルガスの燃焼器の制御方法」という標題でデビッド・Ｊ・ハート−プレッドモア及びウィリアム・Ｈ・ペテットの名前で１９９９年７月２１日に出願された現在係属中の米国特許出願シリアル番号０９／３５８，０８０号を参照することによって得ることができる。その全内容は、これらを参照することにより本明細書に組み込まれる。
【００４５】
好ましい実施形態では、燃料電池システムは、外部回路６０（図２を見よ）の一部分として燃料電池２２を含む。ここで、外部回路６０の一部分は、バッテリー６２、電気モータ６４、及び駆動用電子機器６５を含む。この駆動用電子機器６５は、燃料電池２２に接続された直流から直流への変換器６１から電気エネルギーを受け取り、それをモータ６４により生成された機械的エネルギーに変換するように構成及び接続されている。バッテリー６２は、燃料電池２２により供給された電気エネルギーを受け取ってこれを蓄えるため及び該電気エネルギーをモータ６４に提供するため構成及び接続されている。モータ６４は、車両（図示せず）の車輪を回転させるため駆動車軸６６に連結されている。電気化学エンジン制御モジュール（ＥＥＣＭ）７０及びバッテリーパックモジュール（ＢＰＭ）７１は、例えばバッテリーパックモジュール７１によって生成されるスタックの電圧及び電流を含む様々な作動パラメータを監視するが、これに限定されるものではない。ＢＭＰ７１は、ＢＭＰ７１により監視される状態に基づいて車両コントローラ７４に出力信号（メッセージ）を送る。車両コントローラ７４は、従来の態様で、バッテリー６２の作動、駆動電子機器６５及び電気モータ６４を制御する。
【００４６】
「燃料電池」という用語は、しばしば個々の電池に言及するため使用され、また、１００又はそれ以上のオーダーに時としてなり得る直列接続された多数の個々の燃料電池を含む燃料電池スタックに言及するためにも使用される。スタック内の各々の電池は、前述した膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含み、そのような膜電極アセンブリは、電圧の逐次増加を提供する。スタック内部の電池のグループは、クラスターと呼ばれる。
【００４７】
好ましい実施形態では、本発明は、実際の電力を、予想された電力、又は、燃料電池システムで作動する燃料電池スタックに対して与えられた負荷で予想される範囲にある電力と比較するための方法を提供する。好ましい実施形態では、燃料電池スタックの実際の電圧及び電流が監視される。実際の電流の関数としての予想電圧は、電圧及び電流間の所定の関係に基づいて決定される。換言すれば、特定型式の燃料電池に対する電圧及び電流間の所定の関係が決定され、実際の電流がこの関係に代入され、次に予想電圧値が決定される。次に、実際の電圧と予想された電圧間の偏倚が計算される。このように計算された偏倚が所定の受容可能な偏倚を超える場合、信号が生成され、修正作用が取られるか又は指示される。この作用は、燃料電池システムの停止、部分停止、又は電力出力の減少の機能等を備える。
【００４８】
本方法は、実際の電圧を、電圧及び電流の関係に適用し、実際の電圧における予想された電流を得るようにも適合可能である。
【００４９】
その最も簡単な手段において、当該偏倚は、実際の電圧及び電流を監視し、当該実際の電圧及び電流を、温度、圧力及び供給ガス流量の仮定された条件を基礎として決定した電圧及び電流間の予測された受容可能な関係と比較することに基づいて決定される。電圧及び電流間の関係は、予想される電流の十分な範囲に亘って確立される。電圧及び電流の関係により画定された値から受容可能な偏倚が決定される。より複雑な手段では、圧力、温度、水素の豊富な流れの供給量及び酸化剤の供給量など、性能に影響を与える他の燃料電池スタック作動パラメータも考慮され、複数の電圧及び電流関係、即ち、様々に異なる圧力、温度、水素流量などに関する成極曲線を生じさせる。
【００５０】
成極曲線に対する正及び負の両方向の成極曲線回りの偏倚即ち禁止帯は、幾つかの異なる方法で設定することができる。先ず第１に、後述するように、当該偏倚は、与えられた負荷電流における、実際の電圧と予想された電圧との偏倚の１パーセント誤差として定義される。一例として、３％の偏倚即ち限界も、この態様で使用することができる。更に後述するように、低い方か若しくは高い方いずれかの限界、即ち負方向か若しくは正方向いずれかの限界が、成極曲線に対して設定することができる。その代わりに、予想された電圧と実際の電圧との間の誤差の絶対値を、偏倚の決定のため使用することができる。
【００５１】
本発明の別の態様によれば、非線形禁止帯、即ち特定の成極曲線に対する偏倚を提供することも可能である。この態様では、例えば高電流レベルなど成極曲線のある部分において、所定の偏倚を、図３で示された一定の偏倚よりも大きくしたり或いは小さくしたりすることができる。
【００５２】
１つの好ましい実施形態では、本発明の方法は、選択された燃料電池スタックの設計（図３を見よ）に対して、成極曲線データ、即ち、電圧対電流の関係を利用する。成極曲線は、象徴的な参照値として使用され、これに関係付けて、始動から停止するまでの間の作動中における実際の電圧及び電流を監視する。従って、燃料電池システムが駆動している間、ＢＰＭ７１が実際の燃料電池スタックの電流及び電圧を測定し、成極曲線上で予想される電圧と実際の電圧とを比較する。この成極曲線のデータは、２次元の電圧及び電流参照テーブルとしてメモリに蓄えられている。測定された実際の電圧（図３及び図４）が、与えられた負荷即ち電流における成極曲線上の予想された電圧と予想された偏倚値７５（これもメモリに蓄えられている）だけ異なる場合、診断が警告され、矯正作動信号が送出される。
【００５３】
本発明の制御方法の１つの特有の手段が図４に示されている。この図では、実際の電流がＢＰＭ７１即ちＥＥＣＭ７０に入力され、これは、メモリの成極曲線参照テーブルにアクセスして実際の電流レベルにおける予想電圧を出力する。予想された電圧Ｖｐは、測定電圧Ｖｍの大きさを持つ負値としてステップ１４２で加算される。ＶｐとＶｍとの差は、ステップ１４４において、成極曲線の参照テーブル１４０から出力された予想電圧Ｖｐの大きさで割られる。
【００５４】
割り算の結果は、測定電圧Ｖｍと、実際に測定された電流のレベルにおける予想電圧Ｖｐとの間の誤差のパーセンテージを表す値である。
【００５５】
ＢＰＭ７１及び又はＥＥＣＭ７０は、進歩的方法を実行する手段を提供し、上記した方法を実行するため入力データを受け取り、該入力データを予め選択された値と比較する上で必要なハードウェア及びソフトウェアを含む。ＶｐがＶｍより大きい場合、誤差のパーセンテージは負値であり、ステップ１４６において、上記例から−３％程度である、実際の負の低側限界パーセンテージと比較される。
【００５６】
同様に、ステップ１４４から得られた誤差のパーセンテージは、ステップ１４８において、正のパーセンテージ値として表された高側限界と比較される。この誤差のパーセンテージが高側限界を越えたときのみ（ＶｍがＶｐより大きくなった場合）、「パフォーマンスハイフラグ」とラベル化された出力が生成される。
【００５７】
図５によって示された通り、ＥＥＣＭ７０及びＢＰＭ７１により実行される制御プログラムを手段として提供する別の構成では、燃料電池スタックの電圧及び電流がＢＰＭ７１によって監視される（ステップ１００及び１０２）。実際の電流値は、メモリに蓄えられた設計上の成極曲線をアクセスするため、ＢＰＭ７１によって使用される。ここで、予想電圧が実際の電流Ｉの関数Ｖｐ（Ｉ）として決定される（ステップ１０４）。次に、予想電圧（Ｖｐ）が実際に監視された電圧（Ｖｍ）と比較される（ステップ１０６）。次に、ＶｐとＶｍとの差は、上記偏倚を決定するため計算される。１つの任意の代替例では、実際に監視される電圧（Ｖｍ）は正値を割り当てられ、予想電圧は負値を割り当てられる。当該偏倚が負の場合、低側限界を示す信号が生成される（ステップ１０８）。当該偏倚が正の場合、高側限界を示す信号が生成される（ステップ１１０）。
【００５８】
燃料電池スタック２２は、それが停止モードにあるか否か（ステップ１１２）、及び、それがウォーム即ち通常の作動温度範囲内にあるか否か（ステップ１１４）を決定するため監視される。停止モードが要求されない場合（ステップ１１６）、電圧の（低側）偏倚が、受容可能な偏倚の限界レベルを超える場合（ステップ１０８）、及び、当該スタックがウォームである場合（ステップ１１４）、これらの条件の全てはアンド（ステップ１１８）され、低側偏倚による停止診断を指示する。しかしながら、そのような低側限界による停止診断信号は、停止フラグ１２４が立てられる前にステップ１２２で時間遅延機能１２０の作用を受ける。この時間遅延は、ノイズ即ち逸脱信号を選別する機会を提供する。同様に、電圧の（高側）偏倚が受容可能な限界レベルを越え（ステップ１１０）、スタックがウォームであり（ステップ１１４）、及び、既に停止モードでない場合（ステップ１１２）、これらの条件はアンド（ステップ１２６）され、高側限界による停止診断を指示する。しかしながら、この高側偏倚による停止診断信号も、停止フラグ１３２が立てられる前にステップ１３０で時間遅延機能１２８の作用を受ける。
【００５９】
スタックウォーム温度条件の入力（１１４）が、システムが始動モードである場合にシステム停止の診断を防止するために使用されることに着目されたい。この停止モード入力（１１２）は、システムが既に停止モードである場合にシステム停止の診断を防止するために使用される。かくして、本発明の論理は、駆動モードの間に低出力及び高出力のパワー条件を監視するように適合可能である。予想されたよりもより少ない電力をスタックから得る条件は、予想されたよりもより多くの電力をスタックから得る条件よりも一般的であることが予想される。最も簡単な手段は、曲線全体に沿って固定された状態で与えられた偏倚（デルタ）付きの参照テーブルの成極曲線データを備えることである。別の選択は、曲線に沿って変化する偏倚パーセンテージ、即ち、曲線の上方及び下方に対して異なる変化を持つことである。
【００６０】
上記に与えられた例では、修正作用がシステム停止であった。他のアクション即ち応答は、警告、計器、燃料電池から出力された電力の減少等を含んで実行される。異なる停止若しくは同じ停止、或いは、他の救済処置を、低側又は高側停止に対して実行することができる。
【００６１】
図４及びこれに関連した上記説明は、本発明の制御方法を実行する方法の一例として解釈されるべきであることが理解されよう。他の方法は、以下のことを示唆している。
【００６２】
予想電圧の負及び正のパーセンテージとして表された低側限界及び高側限界は、成極曲線全体又は予想された電圧及び電流の全範囲に亘って、一定値とすることができる。偏倚即ちデルタは、燃料電池が現在作動しているところの成極曲線の特定の位置に依存して変化する量で与えることもできることが理解されよう。
【００６３】
本発明の制御システムは、燃料電池システムが燃料電池への水素の流れ速度を直接監視しない場合、即ち、燃料電池の上流に水素センサーが直接存在しない場合に特に重要である。燃料電池システムでは、システムに要求される負荷を改質ガスが燃料電池に供給される速度と合致させることが重要である。電力を生成する上で十分な水素が存在しないが故に供給することができるよりも燃料電池からより多くの電力を引き出そうとする場合、燃料電池スタックを永久的に劣化させかねない。劣化は、膜、ポリマー構成要素の破壊を含み得る。従って、与えられた負荷ポイントに対して予想された電力と実際の電力量とが有意に異なる状態を検出するため本発明の検出システムを強化することは有効である。
【００６４】
本発明のシステムが無い場合、典型的に、負荷ポイントから独立に全燃料電池のスタック又はクラスター電圧の絶対レベルが信頼される。このアプローチは、燃料電池に問題が存在することを決定する上で役立つ。しかしながら、実用に供するためには、診断のためのトリップポイントが、不必要な診断及び修正作用を回避するため比較的低電圧即ち最悪の場合のレベルに設定されなければならない。これは、カットオフされる低電圧より高い電圧で問題が発生する可能性があり、車両推進システムが負荷を駆動し続け、これによって電圧が下降し続けるので、望ましくない。それから電池の劣化が結果として発生し、永久的な反転極性をも招きかねない。この状況では、電池は抵抗として作用し、加熱し始める。電池が加熱し続けるとき、それに隣接する電池に悪影響を及ぼし、加熱効果が衰えない場合、更に劣化する可能性がある。これとは対照的に、本発明は、与えられた負荷ポイントで実際の電力を予想された電力と比較するので、診断のトリップポイントは、負荷の関数として効率的に変動可能である。
【００６５】
本発明は、高電圧及び低電圧の状況を指定する現存する代替手段を超える多数の利点を提供する。１つの現存する代替手段では、例えば、低電圧状態の開始時に、燃料電池スタックに送る水素の量を有意に増加させ、これによって、低電圧過渡電流が流れる間にラムダ（lambda）と言及される余剰水素の量を増加させることが１つの与えられた戦略である。これは、より高電位のアノードでラムダを使用することがより多くの水素を消費させ、燃料電池システムをより非効率にし、燃料プロセッサをより大きくする必要性を高め、システムのコスト及びサイズを増加させるので、望ましくはない。別の選択は、負荷の過渡電流の間の低電圧の読み取り値を無視することである。この選択は、燃料電池スタックへの電位が非常に大きくなり過ぎるので望ましくない。第３の選択は、上記したように、負荷とは独立に全スタックに亘る電圧を監視し、これを車両負荷コントローラにフィードバッグすることである。この選択は、燃料電池スタックの電圧のみでは、与えられた負荷ポイントにおける電流との関係が考えられない限り、問題を正確に検出することができないので、望ましくない。
【００６６】
本発明の方法は、現存する選択を超えて好ましい。本発明によって、スタックの特性、負荷の関数として予想された電力に対する実際の電力、及びスタックにより生成される電力に影響を与える例えば温度及び圧力などの作動条件に基づいて、燃料電池の診断方法が開発されたからである。この後者の特徴は、特別に有用である。実験室で公称７０℃ないし８０℃のスタック作動温度は、季節変動の条件下で相当変動すると予想されるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池スタック監視制御方法を利用することができる燃料電池装置を表した機能ブロック流れ図である。
【図２】使用形態への応用の模式態様で接続された、図１に示された燃料電池装置の機能ブロック流れ図である。
【図３】燃料電池スタックの成極曲線を例示的に表すグラフである。
【図４】本発明に係る燃料電池スタック監視制御の手段を表す機能ブロック流れ図である。
【図５】本発明に係る燃料電池スタック監視制御の手段を表す機能ブロック流れ図である。
【符号の説明】
２    燃料プロセッサ
２２    燃料電池スタック
３４    燃焼器
７５    偏倚値
１００    スタック電圧
１０２    スタック電流
１０６    偏倚演算ステップ
１０８    低側限界の比較ステップ
１１０    高側限界の比較ステップ
１０４、１４０    成極曲線の参照テーブル
１２４    低側限界の停止診断フラグ
１３２    高側限界の停止診断フラグ
１４２    加算（偏倚演算）ステップ
１４４    除算ステップ
１４６    低側限界の比較ステップ
１４８    高側限界の比較ステップ
１５０    コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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