(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用スタックに利用可能な方法であって、
負荷に対して該燃料電池用スタックを接続するステップと、
該負荷が消費する電力を決定するステップと、
該負荷が消費する電力の変化を検出するステップであって、該電力を所定のしきい値と比較することを含む検出ステップと、
該負荷が消費する電力の変化に適応するように該燃料電池用スタックの電力出力をコントロールするために、該スタックへの燃料の流量をコントロールするステップと、
該負荷が消費する電力の変化の検出に応じて該コントールステップの開始に遅延を設けるステップと、
を含む方法。
【請求項２】
上記変化が、上記負荷が消費する電力の正の変化を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記遅延を設けるステップが、時間に対して上記電力のローリング平均を計算することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
上記遅延を設けるステップが、所定の持続時間を有する時間間隔を測定すること、及び、該時間間隔の終了時に、該時間間隔中に所定のしきい値を超えたままである上記電力に応じて、上記燃料電池用スタックへの上記燃料の流量を変化させることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
上記電力の定常状態のレベルに基づき上記所定のしきい値を設定するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
上記遅延を設けるステップが、燃料プロセッサの過渡応答に適応する請求項１に記載の方法。
【請求項７】
上記負荷を、上記燃料電池用スタックに加えて電力網に接続するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
上記燃料電池用スタックが供給する電力が上記負荷が消費する電力に適応しない場合に、該負荷に補足電力を供給するバッテリーを使用するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
上記コントロールするステップが、上記変化に応じて上記燃料電池用スタックへの上記燃料の流量を、所定の速度を超えない範囲で増加させることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
上記コントロールするステップが、上記変化に応じて上記燃料電池用スタックへの上記燃料の流量を、所定の速度を超えない範囲で減少させることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
燃料の流量を供給する燃料プロセッサと、
該燃料の流量に応じて負荷に第１電力を供給する燃料電池用スタックと、
該負荷が消費している第２電力を測定する回路と、
該回路と該燃料プロセッサに接続されたコントローラと、
を含み、
該コントローラが、該第２電力と所定のしきい値を比較して該第２電力の変化を検出し、該第２電力の変化に適応するために該燃料プロセッサをコントロールし、該第２電力の変化の検出に応じて該第２電力の変化に適応するために該燃料プロセッサのコントロールの開始を遅延させる、
ことを含むシステム。
【請求項１２】
上記変化が、上記第２電力の正の変化を含む請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
上記コントローラが、上記遅延を引き起こすために、時間に対して上記第２電力のローリング平均を計算する請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
上記コントローラが、所定の持続時間を有する時間間隔を測定し、及び、上記時間間隔の終了時に、上記燃料プロセッサをコントロールして、上記時間間隔中所定のしきい値を超えたままである上記第２電力に応じて、上記燃料プロセッサの出力を変化させる請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
上記コントローラが、上記第２電力の定常状態のレベルに基づき上記所定のしきい値を設定する請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
上記コントローラが、上記燃料プロセッサの過渡応答に適応するように上記コントロールの開始に遅延を設ける請求項１１に記載のシステム。
【請求項１７】
上記燃料電池用スタックが、電力網に接続されている請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
上記燃料電池用スタックが提供する電力が上記第２電力に適応しない場合、補足電力を上記負荷に提供するためにバッテリーをさらに含む請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
上記コントローラが、上記変化に応じて上記燃料プロセッサの出力を、所定の速度を超えない範囲で増加させる請求項１１に記載のシステム。
【請求項２０】
上記コントローラが、上記変化に応じて上記燃料プロセッサの出力を、所定の速度を超えない範囲で減少させる請求項１１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には、燃料電池システムの過渡応答をコントロールする技術及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、反応によって発生した化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電気化学ディバイスである。例えば、あるタイプの燃料電池には、プロトン交換膜とよく呼ばれる、燃料電池のアノードとカソードとの間をプロトンだけを通過させることができるポリマー電解質膜（ＰＥＭ）が含まれる。アノードにおいて、２原子の水素（燃料）が反応して、ＰＥＭを通過する水素プロトンが発生する。この反応により発生した電子は、燃料電池の外部の回路を通過して電流を形成する。カソードにおいては、酸素が還元され水素プロトンと反応して、水が形成される。アノード及びカソードの反応は、次の式で説明される。
電池のアノードにおいて  Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
電池のカソードにおいて  Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ
【０００３】
一般的な燃料電池の端子電圧は、約1ボルトＤＣである。より高い電圧を作るために、いくつかの燃料電池を集めて、燃料電池用スタックと呼ばれる構成を作ることができる。この構成では、燃料電池を電気的に直列に結合して、より高いＤＣ電圧（例えば、約１００ボルトＤＣの電圧）を作り、またより多量の電力を提供する。
【０００４】
燃料電池用スタックは、フロープレート（flow plate）（例えば、グラファイトコンポジット又は金属プレート）を備えている。これらのプレートは互いに他の上に重ね合わされ、また各プレートは、スタックの２つ以上の燃料電池に関連している。プレートには、例えば、反応体及び生成物を燃料電池用スタックを通って送り出すために、種々の表面フローチャネル及びオリフィスが含まれる。いくつかのＰＥＭ（それぞれのＰＥＭは特定の燃料電池に関連している）を、スタック全体にわたって、異なった燃料電池のアノードとカソードとの間に分散することができる。電気的に導電性のガス拡散層（ＧＤＬ）を各ＰＥＭの各側上に配置して、各燃料電池のアノード及びカソードを形成することができる。この方法では、ＰＥＭの各側からの反応体のガスは、フローチャネルを出てＧＤＬを通って拡散しＰＥＭに達する。
【０００５】
燃料電池システムには、炭化水素（例えば、天然ガス、プロパン）を燃料電池用スタックに対する燃料の流れに変換する燃料プロセッサが含まれる。燃料電池用スタックの所定の出力電力については、スタックへの燃料の流れは、前に列挙した式によって支配される適当な化学量論比（stoichiometric ratio）を満足する必要がある。このため、燃料電池システムのコントローラはスタックが供給する必要がある適当な電力を決定し、この決定に基づいて、コントローラはこの電力を作るための適当な化学量論比を満足させる燃料の流れを推定する。このように、コントローラはこの流れを作るように燃料プロセッサを制御して、出力電力の変化が必要であるとコントローラの決定に応じて、コントローラは燃料の流れの新しい速度を推定して、それに応じて燃料プロセッサをコントロールする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池システムは、住宅用電気機器及び電気装置から構成されるような負荷に電力を供給する。これらの電気機器等は、負荷が要求する電力を変化させるために選択的に電源のオン及びオフが行われる。このため、負荷が消費する電力は一定ではなく、むしろ電力は時間と共に変わり、また複数のステップで急峻に変化する。例えば、燃料電池システムが電力を家庭に供給する場合、家庭の種々の電気機器／電気装置の電源は様々な時刻にオン及びオフされて、負荷が消費する電力を時間と共に段階的に変化させる。
【０００７】
燃料プロセッサが、負荷が消費する電力の過渡に応答するように、その燃料の流れの出力を十分タイムリーに調整することができないことがある。このように、負荷が消費する電力が過渡の間に変化する速度は、燃料プロセッサがその燃料の出力を変えることができる速度よりもはるかに早い。例えば、燃料プロセッサの時定数はマイナスのオーダであり、負荷が消費する電力が過渡中に変化する時定数は秒のオーダである。この不一致のために、燃料プロセッサの出力は負荷が消費する電力の過渡を著しく遅らせることがあり、これにより結果として燃料電池システムの動作が非効率的になる。
【０００８】
例えば、燃料電池システムが家庭に電力を供給する場合、１つ以上の電気機器の電源が短い時間でオンにされて、電気機器が消費する電力を一瞬の間に増加させて過渡を発生させる。しかしながら、燃料プロセッサがこの増加の影響を打ち消すように応答する時間までに、電源が投入されていた１つ以上の電気機器がオフになっていることがある。燃料プロセッサが後れを取っている間に、燃料電池システムが送ることができない電力を電力網（パワーグリッド）からの電力が（負荷に）供給することができる。しかしながら、この構成は、負荷に電力を供給することに関連してコストを増加させる原因になるかもしれない。
【０００９】
このため、前述した１つ以上の問題に取り組む装置及び／又は技術に対する継続する要求がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施形態では、燃料電池用スタックに使用可能な技術には、燃料電池用スタックを負荷に接続するステップと、負荷によって消費される電力を決定するステップとが含まれる。この技術には、負荷が消費した電力の変化に応じて遅延するステップと、遅延の終わりに応じて、負荷が消費した電力の変化を受け入れるために、燃料電池用スタックの電力出力をコントロールするためにスタックへの燃料の流れをコントロールするステップとが含まれる。
【００１１】
本発明の利点及び他の特徴は、以下の説明、図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１を参照する。本発明による燃料電池システム１０の実施形態には、燃料電池用スタック２０が含まれる。この燃料電池用スタック２０は、それぞれ燃料プロセッサ２２及びエアブロワ２４によって供給される燃料及び酸化体の流れに応じて、負荷５０（例えば、住居用負荷）に対して電力を発生することができる。この方法では、燃料電池システム１０が燃料プロセッサ２２の燃料の発生をコントロールして、プロセッサ２２が燃料電池用スタック２０に供給する燃料の流れをコントロールする。燃料電池用スタック２０へのこの燃料の流れの速度が、今度は、スタック２０が発生する電力のレベルをコントロールする。後で説明するが、燃料電池システム１０は、燃料プロセッサの制御を、負荷５０が消費する（又は「要求」する）電力に（少なくとも一部は）基づかせる。
【００１３】
負荷５０が消費する電力は、負荷５０はそれぞれが電源のオン及びオフを行う個別の負荷（例えば、家庭に備えられた電気機器及び／又は電気装置）の集合体を示しているため、時間と共に変化する。その結果、負荷５０が消費する電力が変化して、過渡（transient）を発生する。本願の文脈においては、「負荷５０が消費する電力における過渡」とは、過渡が発生したときの現在の電力の定常状態のレベルから逸脱した電力の（負荷５０によって消費された電力の）著しい変化のことを指す。過渡の時定数は、燃料プロセッサ２２の時定数以下のオーダである。
【００１４】
このため、燃料プロセッサ２２は、負荷５０が消費する電力の過渡を迅速に調整することはできない。しかしながら、以下に説明するが、燃料電池システム１０は、電力の変化が持続され、これにより、事実上一時的ではないとシステム１０が検証するまで、燃料プロセッサ２２が過渡に早まって応答しないような対策を取る。
【００１５】
本願の文脈においては、「上方過渡」という語句は、負荷５０が消費する電力の正の過渡を指し、「下方過渡」と言う語句は、負荷５０が消費する電力の負の過渡のことを言う。上方又は下方の過渡は、負荷５０が消費する電力に持続された変化を結果として生ずる又は生じないことがある。以下に説明するように、本発明のいくつかの実施形態では、燃料電池システムの上方過渡に対する応答は、システムの下方過渡に対する応答とは異なっている。
【００１６】
燃料電池システム１０に対する上方及び下方の過渡の影響は、システム１０の電力接続モードにより異なっている。この方法では、第１の電力接続モードでは、燃料電池システム１０は、電力網５６と平行に負荷５０に電力を供給するように接続される。このため、燃料電池システム１０が負荷５０が消費する全ての電力を供給することができるわけではない場合、電力網５６がシステムの出力電力を補足することができる。この構成は、コスト効果がよくない。このため、燃料プロセッサ２２が、負荷５０がより多くの電力を必要とする場合は、その出力を増加することが望ましい。しかしながら、負荷５０が消費する電力の増加は本質的に不足しており、その結果、燃料プロセッサ２２がその燃料出力を増加するときまでに、負荷５０が消費する電力が、上方過渡の前に存在したレベルまで戻ることが起こり得る。このため、燃料プロセッサ２２が、負荷５０が消費している電力に適合しないあまりに多くの燃料を発生することがある。
【００１７】
本発明のいくつかの実施形態では、負荷５０が消費する電力が変化していない場合は、燃料プロセッサ２２は負荷の電力の所定の百分率を確立する流量を提供し、残りの百分率は電力網５６によって提供される。この方法では、これらの実施形態では、燃料電池システム１０と電力網５６の両方が、負荷５０に電力を提供する。例えば、本発明のいくつかの実施形態では、定常状態の動作の間は、燃料電池システム１０が、負荷５０が消費する電力の９５％を供給し、電力網５６が残りの５％の電力を供給する。上方又は下方の過渡が発生する場合、燃料電池システム１０が本願で説明する技術によりその電力出力を変化するまで、燃料電池システム１０は所定の百分率から外れる電力を提供することに注意されたい。
【００１８】
第２の電力接続モードでは、燃料電池システム１０は、電力網５６から切り離されて、燃料プロセッサ２２がその出力を増加させることができる時間を提供するための即時補足電力の電源として、バッテリー４１を備えている。このため、燃料電池用スタック２０が上方過渡に応じて十分な電力を負荷５０に供給することができない場合、バッテリー４１が追加の電力を供給することができる。しかしながら、負荷５０が消費する電力の増加は本質的に不足しており、その結果、燃料プロセッサ２２がその燃料出力を増加するときまでに、負荷５０が要求する電力が、上方過渡の前に存在したレベルまで戻ることが起こり得る。負荷５０が消費する電力の増加が持続される場合、燃料電池システム１０は最終的にはその電力出力の増大に応答して、バッテリー４１に蓄積される有限のエネルギー量が枯渇しないようにすることに注意されたい。
【００１９】
図２をも参照する。燃料プロセッサ２２が上方及び下方の過渡に早まって応答することを避けるために、本発明のいくつかの実施形態では、システム１０は、技術１００を使用して、燃料プロセッサ２２が負荷５０が消費する電力の持続された増加及び減少のみに応答するように、燃料プロセッサ２２の燃料の発生を制御する。技術１００においては、燃料電池システム１０は、上方過渡が発生しているかどうかを決定する（ダイヤモンド１０２）。発生している場合、燃料電池システム１０は、ブロック１０４に示すように、第１のコントロール技術（以下に示す）を用いて、この上方過渡に応答する（ブロック１０４）。しかしながら、出力電力が増加していない場合は、燃料電池システム１０は下方過渡が発生しているかどうかを決定する（ダイヤモンド１０６）。下方過渡が発生している場合、燃料電池システム１０は、異なる第２のコントロール技術（以下に示す）を用いてこの下方過渡に応答する。このため、燃料電池システム１０は２つの異なるコントロール技術を用いて燃料プロセッサ２２をコントロールする、すなわち、上方過渡用の第１のコントロール技術及び下方過渡用の第２の別のコントロール技術である。
【００２０】
２つの異なるコントロール技術は、燃料プロセッサ２２がその出力を増加させる速度が、燃料プロセッサ２２がその出力を減少させる速度よりも著しく遅いというシナリオに適応している。２つの異なるコントロール技術は、上方過渡は下方過渡よりも著しく大きな頻度で発生するというシナリオにも適応している。
【００２１】
図１を参照する。本発明のいくつかの実施形態では、燃料電池システム１０はコントローラ６０を備えて、上方及び下方の過渡を検出し、それに応じて燃料プロセッサ２２を制御する。より具体的には、本発明のいくつかの実施形態では、コントローラ６０は、電池電圧、端子スタック電圧（「ＶTERM」と呼ぶ）及び燃料電池用スタック２０の出力電流をモニタリングすることによって、これらの上方及び下方の過渡を検出する。これらの測定値から、コントローラ６０は、上方又は下方の過渡が負荷５０が消費する電力の中で何時発生するかを決定することができる。
【００２２】
前述した測定値を燃料電池用スタック２０から得るために、燃料電池システム１０は、燃料電池用スタック２０の電池電圧及びＶTERMスタック電圧を測定する電池電圧モニタリング回路４０、及びスタック２０からのＤＣ出力電流を測定する電流センサ４９を備えている。電池電圧モニタリング回路４０は、測定された電池電圧の示度（indication）をコントローラ６０に（例えば、シリアルバス４８を介して）伝送する。電流センサ４９は、燃料電池用スタック２０の出力端子３１に直列に接続されて、出力電流の示度を（電気通信ライン５２を介して）提供する。スタック２０からの情報を使用して、コントローラ６０は（コントローラ６０のメモリ６３に記憶された）プログラム６５を実行して、上方又は下方の過渡が発生しているかどうかを決定し、それに応じて電気通信ライン４６を介して燃料プロセッサ２２をコントロールする。技術１００の特定の実行内容（本発明の別の実施形態による）を以下に説明する。
【００２３】
より具体的には、図３及び図５を参照する。本発明のいくつかの実施形態では、プログラム６５は、コントローラ６０によって実行されると、コントローラ６０に（図５に示した）技術１５０を実行させて、燃料プロセッサ２２を上方及び下方の過渡に応じてコントロールする。特に、コントローラ６０は上方過渡に応答する第１の遅延を取り入れている（図５のブロック１５２）。例えば、負荷５０が要求する電力は、始めはＰ1（図３を参照）と呼ばれる出力電力レベル近くにあり、Ｔ0からＴ1の時間間隔中に、燃料プロセッサ２２はＬ1（図４を参照）と呼ばれる定常状態の燃料出力レベルで動作して、適当な燃料を供給して負荷５０がＰ1レベルで消費する電力を持続する。
【００２４】
図３に示すように、負荷５０が消費する電力は、事実上、時刻Ｔ0から時刻Ｔ1にＰ1レベルの周りにわずかに変化している。しかしながら、コントローラ６０は、Ｐ1レベルからのわずかな変動には応答しない。その代わり、コントローラ６０は、上側しきい値１２１ａ及び下側しきい値１２１ｂを定めることによって、Ｐ1レベルの周りにヒステリシスゾーン１２１を設置して、ゾーン１２１の上限及び下限をそれぞれ設定する。負荷５０が消費する電力がゾーン１２１内にある限り、コントローラ６０は上方又は下方の過渡は発生していないと決定する。そうでない場合は、ゾーン１２１の外側の電力の変動は、上方過渡（上側しきい値１２１ａを超える増加）又は下方過渡（下側しきい値１２１ｂ未満の減少）を示す。
【００２５】
実施例として、図３に示すように、時刻Ｔ1において、負荷５０が消費する電力は、上側しきい値１２１ａを超えるためコントローラ６０が上方過渡であるとして認識する新しい出力レベルＰ2まで増加する。この増加は、例えば、ほぼ同じ時刻に電源が投入される１つ以上の（例えば、家庭に関係する）電気機器及び／又は装置が原因である。図３から分かるように、この増加はほぼステップ関数である。
【００２６】
コントローラ６０は、この増加に直接応答せずに、ブロック１５２（図５を参照）による、時刻Ｔ1から時刻Ｔ2までの遅延又は遅延間隔１２５を取り入れる。以下により詳細に説明するが、この遅延は、本発明の特定の実施形態により、固定の持続時間又は可変の持続時間とすることができる。
【００２７】
（遅延間隔１２５のような）遅延間隔の終了時に、コントローラ６０は、この遅延間隔中に負荷５０が消費した電力の中に持続された増加があったかどうかを決定する（図５のダイヤモンド１５４）。図３で示した実施例では、遅延間隔１２５の間に負荷５０が消費した電力は、コントローラ６０がＰ2レベルの周りに設置したヒステリシスゾーン１２３から外れていない。例えば、出力電力が遅延間隔１２５中に上側しきい値１２１ａ未満に減少した場合、コントローラ６０はこれを負荷５０が消費する電力における持続された増加とは判断せずに、燃料プロセッサ２２の出力を変化させずに遅延間隔をリセットする。しかしながら、図示のように、負荷５０が要求する電力が遅延間隔１２５中にゾーン１２３の中に残る場合は、結果として、コントローラ６０は燃料プロセッサ２２の燃料出力を増加させて、図５のブロック１５６に基づいて、負荷５０における増加に応答する。
【００２８】
図４を参照すると、これにより、時刻Ｔ0からＴ1の間は、燃料プロセッサ２２の燃料出力は、負荷５０が要求する電力もほぼ一定のレベルに留まるため、一定のレベルＬ1にある。時刻Ｔ1では、燃料プロセッサ２２の燃料出力は変化しない（例え、負荷５０が消費する電力が変化したとしても）。時刻Ｔ2で遅延間隔１２５が終わると、燃料プロセッサの出力が負荷５０が消費している電力のＰ2レベルを持続するレベルであるレベルＬ2に到達するまで、コントローラ６０は燃料プロセッサ２２をコントロールして、その燃料の発生を上方に増加させる。
【００２９】
本発明のいくつかの実施形態では、コントローラ６０は、燃料プロセッサ２２が一酸化炭素のレベルを最小にするようにその燃料の発生を増加させる最大速度をコントロールする。そうしない場合は、燃料プロセッサ２２がその動作ポイントをあまりにも急速に変化することにより、一酸化炭素が発生する。この方法では、コントローラ６０は、燃料プロセッサ２２が過度の一酸化炭素を発生することなく上方に増加することができる、（図４で上り勾配１２９によって示すような）所定の最大増加速度を確立することができる。コントローラ６０は、図４の一定の下り勾配１３０によって示すような、燃料プロセッサの出力における減少速度に同様の制限を加えることができる。
【００３０】
本発明のいくつかの実施形態では、コントローラ６０はプログラム６５を実行し（図６に示す）技術１６０を実行して、下方過渡に応答する第２のコントロール技術を実施する。図３及び図６を参照すると、この方法では、図６のブロック１６２に示すように、コントローラ６０が下方過渡を検出すると、コントローラ６０は（第２のコントロール技術による）第２の遅延又は遅延間隔を採用する。コントローラ６０は、前述したように、負荷５０が消費する電力が、関連ヒステリシスゾーンの下側しきい値未満に減少する場合、下方過渡が発生しているかどうかを決定する。コントローラ６０が、この減少は持続されている（すなわち、負荷５０が消費する電力が遅延間隔中に下側しきい値を超えて増加しない）と決定する場合（ダイヤモンド１６４）、コントローラ６０は燃料プロセッサ２２の出力を減少させて（ブロック１６６）、この持続された電力の減少に応答する。
【００３１】
実施例として、図３は時刻Ｔ3で発生する下方過渡を示す。この下方過渡に応じて、コントローラ６０は、時刻Ｔ3から時刻Ｔ4まで続く遅延間隔１２６の測定を開始する。負荷５０が要求する電力が遅延間隔１２６中にゾーン１２３の下側しきい値１２３ｂを超えて増加しないため、コントローラ６０は電力の中に持続された減少が発生していると決定し、燃料プロセッサ２２の出力を（ランプ１３０で示すように）時刻Ｔ4からＴ6の間に減少させる。時刻Ｔ6で、燃料プロセッサ２２は、出力レベルＬ3を供給して、燃料電池用スタック２０に、適当なレベルの電力を負荷５０に送らせる。
【００３２】
図３は、負荷５０が消費する電力の中の瞬間的なスパイク１２０も示している。このスパイクは時刻Ｔ5で始まり、時刻Ｔ7まで続く。この増加に応じて、コントローラ６０は時刻Ｔ5で始まり時刻Ｔ7まで続く別の遅延間隔１２８を採用する。しかしながら、コントローラ６０は、電力の中のこの増加は持続されていないと（時刻Ｔ７で）認識し、このため遅延をリセットし、この増加に適応するように燃料プロセッサ２２の燃料出力を増加することはないため、遅延間隔１２８は遅延間隔１２５よりも短い。
【００３３】
このため、技術１６０により、コントローラ６０が負荷５０が消費する電力の持続された減少が第２の遅延間隔の持続時間に存在していると決定する場合（ダイヤモンド１６４）、ブロック１６６に示すように、コントローラ６０は燃料プロセッサ２２の燃料出力を減少させて、負荷の減少に応答する。
【００３４】
（第１のコントロール技術に関連した）第１の遅延間隔及び（第２のコントロール技術に関連した）第２の遅延間隔は、本発明の特定の実施形態により、それぞれ固定した持続時間を有する；それぞれ可変の持続時間を有する；又は遅延間隔の１つが固定した持続時間を有し、他の遅延間隔が可変の持続時間を有する。実施例として、図７は技術１７０を示す。この技術１７０は第１のコントロール技術に関連して使用され、第１の遅延間隔に対して可変の持続時間を使用している。技術１７０は、コントローラ６０がプログラム６５を実行する場合に実施することができる。
【００３５】
技術１７０では、コントローラ６０は、第１のコントロール技術によって適用される頻度の定期的な時間間隔で、負荷５０が要求する電力を測定する（ブロック１７２）。これらのサンプリングされた測定値から、コントローラ６０は負荷５０が消費する電力のローリング平均を作成する。例えば、コントローラ６０は、５分間隔で負荷５０が消費する電力を測定することができる。別の時間間隔も使用することができる。各時間間隔で測定した後、コントローラ６０は負荷５０が消費する電力に対する新しいローリング平均を決定する（ブロック１７４）。コントローラ６０が、次に、電力のローリング平均が上側しきい値を超えると決定する場合（ダイヤモンド１７６）、コントローラ６０は連続した増加を示すフラグをセットし（ブロック１７８）、それに従って燃料プロセッサ２２をコントロールする。実施例として、上側しきい値は、例えば、直前のいくつかの時間間隔について平均した電力のレベルからの所定の百分率の増加を示す。他の技術も、しきい値を設定するために使用することができる。あるいはまた、ローリング平均自体を使用して、この平均を燃料プロセッサ２２が動作する前のしきい値と比較せずに、燃料プロセッサ２２の出力をコントロールすることができる。別の変形例も可能である。
【００３６】
その結果、この技術により、持続時間が比較的短い（負荷５０が消費した）電力の増加は、ローリング平均に影響しない。しかしながら、電力の持続された増加がローリング平均を増加させ、これにより、燃料プロセッサ２２の出力に変化を発生させる。
【００３７】
図８を参照する。同様の方法で、コントローラ６０はローリング平均技術１８２を実行して、負荷５０が消費する電力の減少に対処している。コントローラ６０はプログラム６５を実行するときに、技術１８２を実施する。
【００３８】
技術１８２では、コントローラは、次の定期的な時間間隔で負荷５０が消費する電力を測定する（ブロック１８４）。時間間隔のタイミング（すなわち、負荷５０が消費する電力の測定が行われる頻度）は、第２のコントロール技術によって支配される。それぞれの測定の後で、コントローラ６０は測定値を使用して、新しいローリング平均を決定する（ブロック１８６）。
【００３９】
本発明のいくつかの実施形態では、コントローラ６０は、第１のコントロール技術に関連するローリング平均を決定するために使用される測定よりも高い頻度で、第２のコントロール技術に関連するローリング平均を決めるために使用される測定を行う。この差異のために、コントローラ６０は、負荷５０が消費する電力の増加よりも迅速に、負荷５０が消費する電力の減少に応答することができる。
【００４０】
技術１８２の説明を続ける。コントローラ６０が平均電力が下側しきい値未満と決定する場合（ブロック１８８）、コントローラ６０は減少が継続されていることを示すフラグを設定して（ブロック１９０）、前述したように進行して燃料プロセッサ２２をコントロールし、負荷５０が消費する電力の持続された減少に応答する。あるいはまた、ローリング平均自体を使用して、この平均を燃料プロセッサが動作する前のしきい値と比較せずに、燃料プロセッサ２２の出力をコントロールすることができる。別の変形例も可能である。
【００４１】
これにより、コントローラ６０は第１のコントロール技術に関連する第１のローリング平均を使用して、上方過渡に応答し、第２のコントロール技術に関連する第２のローリング平均を使用して、下方過渡に応答することができる。
【００４２】
ローリング平均を使用して第１及び第２の遅延間隔を確立する変わりに、本発明のいくつかの実施形態では、コントローラ６０は持続時間が一定又は可変の遅延間隔を測定している。この方法では、コントローラ６０は、負荷５０が要求する電力の持続された減少に応答するためにより短い持続時間の固定した遅延間隔を採用し、負荷５０が要求する電力の持続された増加に応答するために持続時間がより長い固定の遅延間隔を取り入れることができる。
【００４３】
より具体的には、図９を参照する。コントローラ６０は（プログラム６５を実行する場合）技術１９４を実施して、上方過渡に対して持続時間が固定の遅延間隔を用いて、燃料プロセッサ２２をコントロールする。技術１９４では、コントローラ６０が上方過渡が発生していると決定した場合、コントローラ６０は所定の間隔（すなわち、第１のコントロール技術に関連する第１の遅延間隔）を測定する（ブロック１９６）。コントローラ６０が、その後、負荷が消費する電力の中の増加がこの時間間隔の間に持続されていると決定する場合（ダイヤモンド１９８）、コントローラ６０は増加が継続していることを示すフラグを設定し（ブロック１９９）、この後、それに応じて燃料プロセッサ２２をコントロールしてその出力を増加し、適当なレベルの電力を負荷５０に供給する。
【００４４】
図１０を参照する。上方過渡に応答して燃料プロセッサ２２をコントロールする前述した技術１９４と同様に、コントローラ６０は（プログラム６５を実行する場合）、下方過渡を検出すると、固定した持続時間の遅延間隔（すなわち、第２のコントロール技術によって使用される第２の遅延）を使用する技術２１０を使用する。この遅延間隔の持続時間は、技術１９４の中で使用される遅延間隔の持続時間よりも短い。
【００４５】
技術２１０では、コントローラ６０は、下方過渡に応答して（第２のコントロール技術に関連した）所定の遅延間隔で測定を開始する（ブロック２１２）。コントローラ６０が電力の減少が持続されていると決定する場合（ダイヤモンド２１４）、コントローラ６０は減少が継続されていることを示すフラグを設定して（ブロック２１６）、それに応じて燃料プロセッサ２２の出力を減少させる。
【００４６】
再び図１を参照すると、燃料電池システム２０の他の特徴の中に、システム２０は電圧レギュレータ３０を備えている。この電圧レギュレータ３０は、ＶTERMスタック電圧を制御し、この電圧をインバータ３３を介してＡＣ電圧に変換する。インバータ３３の出力端子３２は、負荷５０に接続される。燃料電池システム１０は、コントロールバルブ４４も備えている。このコントロールバルブ４４は、燃料電池用スタック２０への酸化体及び燃料の流れの緊急シャットオフを行う。コントロールバルブ４４は、それぞれ、吸込み用の燃料ライン３７及び酸化体ライン３９と、燃料及び酸化体のマニホールド入力部との間で燃料電池用スタック２０に接続されている。吸込み燃料ライン３７は燃料の流れを燃料プロセッサ２２から受け取り、吸込み酸化体ライン３９はエアブロワ２４から酸化体の流れを受け取る。燃料プロセッサ２２は炭化水素（例えば、天然ガス、プロパン）を受け取り、この炭化水素を燃料電池用スタック２０に供給される燃料の流れ（例えば、水素の流れ）に変換する。
【００４７】
燃料電池システム１０は、水セパレータ３４及び３６のような水セパレータを含み、スタック２２の排出及び／又は導入の燃料と酸化体ポートから水を回収する。水セパレータ３４及び３６によって集められた水は、燃料電池システム１０のクーラントサブシステム５４の水タンク（図示せず）に向けられる。このクーラントサブシステム５４は、クーラント（例えば、脱イオン水）を燃料電池用スタック２０を通って循環させて、スタック２０の動作温度を制御する。燃料電池システム１０は酸化剤３８も含み、燃料電池の反応で消費されないスタック２２からの全ての燃料を燃焼させる。
【００４８】
燃料電池システム１０のシャットダウンの間に燃料電池用スタック２０から負荷を絶縁するために、システム１０はスイッチ２９（例えば、リレー回路）を含んでいる。このスイッチ２９は、スタック２０の主出力端子３１と電流感知素子４９の入力端子との間に接続されている。コントローラ６０は、電気通信ライン５０を介してスイッチ２９をコントロールする。
【００４９】
本発明のいくつかの実施形態では、コントローラ６０はマイクロコントローラ及び／又はマイクロプロセッサを備えて、プログラム６５を実行する場合、本願で前述した１つ以上の技術を実行することができる。例えば、コントローラ６０は、メモリ６３として機能するリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）及びプログラム６５用の命令を記憶する記録媒体を含むマイクロコントローラを備えることができる。他のタイプの記録媒体を使用して、プログラム６５の命令を記憶することもできる。マイクロコントローラの種々のアナログ及びディジタルの外部ピンを使用して、電気通信ライン４６，５１及び５２並びにシリアルバス４８にわたる通信を確立することができる。本発明の別の実施形態では、マイクロコントローラとは別のダイ上に製造されたメモリをメモリ６３として使用し、プログラム６５用の命令を記憶させることができる。他の変形例も可能である。
【００５０】
燃料電池システム１０が電力網５６に並列に接続される接続モードでは、コントローラ６０はスイッチ５８及び５７（例えば、リレー回路の一部）を動作させて、燃料電池システム１０を電力網５６に接続させる。このように、この接続のために、燃料電池システム１０が負荷５０が消費する全ての電流を供給するわけではない場合は、電力網５６が付加的な電力を負荷５０に供給する。本発明のいくつかの実施形態では、燃料電池システム１０が負荷５０が消費するより多い電力を供給する場合、燃料電池システム１０は電力網５６に電力を供給する。
【００５１】
燃料電池システム１０が電力網５６に並列に接続されない接続モードでは、コントローラ６０はスイッチ５７及び５８を開放して、電力網５６を燃料電池システム１０から切り離す。燃料電池用スタック２０が十分な電力を負荷５０に供給しない場合は、バッテリー４１が燃料電池用スタック２０が供給する電力を補足することができる。このモードでは、コントローラ６０はスイッチ４５を閉じて、バッテリー４１を燃料電池システム１０の残りの部分に接続する。スイッチ４５が閉じると、バッテリー４１の出力端子は、ダイオード４３のアノードに接続される。別のダイオード１１は、出力端子３１に結合するアノードを有し、ダイオード１１のカソードはダイオード４３のカソードに接続される。このため、燃料電池用スタック２０のＶTERM端子電圧が所定のしきい値未満に落ち込む場合、ダイオード４３が導通し、これにより、バッテリー４１が付加的な電力を供給して、燃料電池用スタック２０が供給する電力を補うことができる。
【００５２】
他の実施形態は、添付した特許請求の範囲の中にある。例えば、本発明のいくつかの実施形態では、第２のコントロール技術は、下方過渡に応答する場合、どのような遅延も採用しない。このため、この方法では、これらの実施形態については、コントローラは下方過渡に直接応答することができる。コントローラ６０は、しかしながら、前述したように、燃料の流れが減少する速度に対して制限を加えることができる。他の変形例も可能である。
【００５３】
本発明を限られた数の実施形態に関して説明してきたが、この開示の恩恵を有する当業者はこれらの実施形態からの多くの修正及び変更を理解されよう。添付した特許請求の範囲が、本発明の真の精神及び範囲の中に入る全てのそのような修正や変更をカバーするものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図２】本発明の実施形態による燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】時間と共に燃料電池システムの負荷によって消費される電力の、例示的な波形を示す図である。
【図４】本発明の実施形態による、図３に示した電力に応じる燃料プロセッサの出力を示す図である。
【図５】本発明の実施形態による燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態による燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施形態による燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施形態による燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施形態による燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施形態による燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０  燃料電池システム
２０  燃料電池用スタック
２２  燃料プロセッサ
２４  エアブロワ
３０  電圧レギュレータ
３３  インバータ
３８  酸化剤
４０  電池電圧モニタリング回路
４４  コントロールバルブ
５０  負荷
５４  クーラントサブシステム
５６  電力網
６０  コントローラ
【図１】
0003733063.tif 000002
【図２】
0003733063.tif 000003
【図３】
0003733063.tif 000004
【図４】
0003733063.tif 000005
【図５】
0003733063.tif 000006
【図６】
0003733063.tif 000007
【図７】
0003733063.tif 000008
【図８】
0003733063.tif 000009
【図９】
0003733063.tif 000010
【図１０】
0003733063.tif 000011