JP2001043880A - 燃料電池スタックの監視及びシステム制御 - Google Patents
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Abstract
の劣化の可能性を減少させる。 【解決手段】 燃料電池システム内の燃料電池スタック
を監視する制御方法であって、該燃料電池スタックから
生じた実際の電圧及び実際の電流が監視される。燃料電
池の作動範囲に亘って電圧及び電流間の予め設定された
関係が設定される。実際に測定された電圧と、与えられ
た実際の測定電流に対する予想電圧の大きさの間の偏倚
値が計算され、所定の許容可能な偏倚値と比較される。
計算された偏倚値が所定の偏倚値を超えた場合、出力信
号が生成される。燃料電池に対する所定の電圧及び電流
の関係が、燃料電池の与えられた作動条件で成極曲線と
して表される。圧力、温度又は水素量などの異なる作動
条件に基づいて燃料電池スタックを監視するため、他の
成極曲線を生成し、これを使用してもよい。
Description
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。
により授与された契約番号DE−AC02−90CH1
0435に従って本発明に関する権利を有する。
anol 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09/358,08
0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。
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。
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。
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。
吸熱反応である。
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09/18
7,125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19
93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5,316,8
71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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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に特徴付けることができ
る。これは、成極曲線(polarization curve)と呼ばれ
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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2
2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。
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。
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。
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。
部44に入れられた蒸発器41から発散する。蒸発器4
1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。
7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08/97
5,422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。
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3
4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。
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。
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3
4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2
8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。
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1
4に輸送される。
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2
8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3
4の触媒ベッド上で燃焼される。
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MeO
H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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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0
9/358,080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。
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、B
MP71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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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7
5(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。
4に示されている。この図では、実際の電流がBPM7
1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。
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。
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。
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。
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1
00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(V
m)と比較される(ステップ106)。次に、VpとV
m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)。
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1
22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。
4)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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
ラフである。
を表す機能ブロック流れ図である。
を表す機能ブロック流れ図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 外部負荷に電力を供給するため酸化剤と
反応する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する燃料電池システムを作動す
るための方法であって、(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、方法。 - 【請求項2】 前記工程(d)の前に、異なる負荷に対
して異なる前記所定の偏倚値を設定する、請求項1に記
載の方法。 - 【請求項3】 前記工程(d)の前に、異なる燃料電池
スタック作動パラメータに対して異なる前記所定の偏倚
値を設定する、請求項1に記載の方法。 - 【請求項4】 前記異なる燃料電池スタックの作動パラ
メータは、圧力、温度、前記水素の豊富な流れの供給量
及び前記酸化剤の供給量を含む、請求項3に記載の方
法。 - 【請求項5】 電圧及び電流間の前記所定の関係は、成
極曲線として表され、該成極曲線に沿って異なる所定の
偏倚値が設定される、請求項1に記載の方法。 - 【請求項6】 前記所定の偏倚値が超えられたとき前記
外部負荷への電力の供給を停止する工程を更に含む、請
求項1に記載の方法。 - 【請求項7】 前記予想電圧の大きさのパーセンテージ
として前記所定の偏差値を設定する工程を更に含む、請
求項1に記載の方法。 - 【請求項8】 正の偏倚値を前記予想電圧のパーセンテ
ージとして設定し、該予想電圧の大きさと該パーセンテ
ージ分の予想電圧との和が該予想電圧の大きさより大き
くなるようにし、 負の偏倚値を前記予想電圧のパーセンテージとして設定
し、該予想電圧の大きさと該パーセンテージ分の予想電
圧との和が該予想電圧の大きさより小さくなるようにし
た、各工程を更に含む、請求項7に記載の方法。 - 【請求項9】 前記予想電圧の大きさが正の偏倚値及び
負の偏倚値を超えることに基づいて、各々別個の出力信
号を生成する工程を更に含む、請求項8に記載の方法。
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