JP2024512795A - 燃料電池電力システム - Google Patents

Abstract

それぞれが燃料電池の複数のサブスタックを有する複数のストリングを含む燃料電池電力システム。各サブスタックは、他のサブスタックから電気的に絶縁されており、各サブスタックを、プリント回路基板上のＤＣ制御モジュールによって独立して制御することができる。サブスタックのＤＣ制御モジュールは、サブスタックが弱くなるか故障した場合に、サブスタックの出力電力を調節する、又は遮断することができる。サブスタックは、システム内の他のサブスタックが動作を継続している一方で、遮断することができる。シャットダウンされたサブスタックを補うために、他のサブスタックの出力電力を増加させることができる。

Description

本開示は、一般的には燃料電池に関する。より具体的には、本開示は、様々なシステムに高い信頼性で電力供給するための燃料電池電力システムに関する。

燃料電池は、輸送、マテリアルハンドリング、定置式及びポータブル電源用途を含む広範囲の用途で使用することができる。典型的には、燃料電池は、所望の電圧及び電力を提供するために直列に接続される。例えば、トヨタＭｉｒａｉ燃料電池セダンは、３３０個の燃料電池を有する。Ｎｏｖｉｓｔａｒ社のセミトラックは、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｍｏｔｏｒｓ社製の２つのハイドロテック燃料電池モジュールを有し、各ハイドロテック燃料電池モジュールが、３０４個の燃料電池を有する。燃料電池は、長い動作寿命を有することが期待される。燃料電池によって電力供給されるクラス８長距離トラクタトレーラの目標動作寿命は３０，０００時間であり、一方、定置型燃料電池システムの動作寿命は約６０，０００～８０，０００時間である。動作寿命の目標を達成するためには、燃料電池技術を進歩させて燃料電池の耐久性を向上させなければならない。更に、燃料電池システムは、極めて高い信頼性であるように設計されなければならない。したがって、所望の電力を供給することができる耐久性のある燃料電池電力システムを提供できることが望ましい。

一実施形態によれば、燃料電池電力システムが提供される。燃料電池電力システムは、少なくとも１つの燃料電池ストリングと、複数のＤＣ制御モジュールと、マスタシステムコントローラとを含む。少なくとも１つの燃料電池ストリングは、互いに電気的に絶縁された複数の燃料電池サブスタックを含む。各サブスタックは複数の燃料電池を含む。ＤＣ制御モジュールはサブスタックを制御するように構成されており、ＤＣ制御モジュールの出力は直列に接続されている。異なるＤＣ制御モジュールは、各サブスタックを制御するように構成されており、ＤＣ制御モジュールの各々は、ＤＣ制御モジュールの各々の対応するサブスタックの出力電力の大きさを、他のサブスタックとは独立して制御することができる。マスタシステムコントローラは、複数のＤＣ制御モジュールと通信し、マスタシステムコントローラは、ＤＣ制御モジュールからデータを受信し、ＤＣ制御モジュールにコマンドを送信する。

別の実施形態によれば、複数の燃料電池サブスタックを含む燃料電池電力システムを制御するための方法が提供される。サブスタックの各々からの電圧出力及び電流出力、並びに１つ以上のサブスタックの温度が監視される。あるサブスタックの所与の電流に対する電圧がサブスタックの定格性能の約７０％を超えており、かつサブスタックの定格性能の約９０％未満である一方で、他のサブスタックが定格性能の約９０％を超えて出力している場合、そのサブスタックの出力電力が低減される。あるサブスタックの所与の電流に対する電圧が、サブスタックの定格性能の約７０％未満である一方で、他のサブスタックがサブスタックの定格性能の約９０％を超えて出力している場合、そのサブスタックの出力が遮断される。

更に別の実施形態によれば、燃料電池電力システムが提供される。燃料電池電力システムは、少なくとも１つの燃料電池ストリングと、サブスタックを制御するように構成された複数のＤＣ制御モジュールと、複数のＤＣ制御モジュールと通信するマスタシステムコントローラと、を含む。少なくとも１つの燃料電池ストリングは、複数の燃料電池サブスタックを含み、サブスタックは互いに電気的に絶縁されている。各サブスタックは複数の燃料電池を含む。ＤＣ制御モジュールの出力は、直列に接続されており、異なるＤＣ制御モジュールが、各サブスタックを制御するように構成されている。ＤＣ制御モジュールの各々は、対応するサブスタックの性能がサブスタックの定格性能の約９０％未満である一方で、他のサブスタックが定格性能の約９０％を超えて出力している場合、ＤＣ制御モジュールの各々の対応するサブスタックの出力電力を、他のサブスタックとは独立して低下させることができる。性能は、サブスタックの所与の電流に対する電圧出力であり、サブスタックの定格性能は、所与の電流におけるサブスタックの分極曲線によって与えられる。マスタシステムコントローラは、ＤＣ制御モジュールからデータを受信し、ＤＣ制御モジュールにコマンドを送信する。

本発明は、そのさらなる目的及び利点とともに、添付図面と併せて以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。

一実施形態による燃料電池電力システムの概略図である。 一実施形態による燃料電池電力システム内の燃料電池の分解図である。 別の実施形態による燃料電池電力システムの斜視図である。 一実施形態による、サブスタックを制御するためのプリント回路基板の回路を示している。 一実施形態による、サブスタックを制御するためのプリント回路基板の回路を示している。 一実施形態による燃料電池スタックの斜視図である。 図２に示した燃料電池スタックの側面図である。 図２及び図３に示した燃料電池スタックの端面図である。 一実施形態による、電力とサブスタックの数との間の関係の表及びグラフを示している。 一実施形態による燃料電池電力システムにおけるサブスタックの電気的接続を示す概略図である。 別の実施形態による燃料電池電力システムにおけるサブスタックの電気的接続を示す概略図である。 一実施形態による燃料電池電力システムにおける、サブスタックの個別に制御されるＤＣ制御モジュールの電気的接続を示す概略図である。 一実施形態による、燃料電池電力システムの起動手順のフローチャートである。 一実施形態による、燃料電池電力システムを制御するためのグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）の一例である。 一実施形態による、燃料電池電力システムの制御システムの概略図である。 一実施形態による、燃料電池電力システムのための熱管理システムの概略図である。 一実施形態による燃料電池電力システムの斜視図である。 例示的なエッジ冷却プレートを示している。 燃料電池の例示的な分極曲線を示している。

本発明は、一般的には燃料電池電力システムに関する。典型的な電池スタックでは、個々の電池が直列に接続されて、所望の電圧及び電力を提供する。スタック内の１つの電池が故障するか又は弱くなると、典型的には、スタック全体がシャットダウンし、機能を完全に停止する。本明細書に説明されている燃料電池電力システムの実施形態は、１つ以上の燃料電池が弱くなるか又は故障しても、機能し続けて電力を生成することができる。

本明細書では、独立して制御することのできる、燃料電池２１２の複数のサブスタック２１０を含む複数のストリング２００を有する燃料電池電力システム１００について説明する。燃料電池電力システム１００の一実施形態の概略図を図１Ａに示す。燃料電池電力システム１００は、高電圧かつ低電流で電力を生成することができる。複数のストリング２００は、より多くの電力を生成するために、直列、並列、又は直列と並列の組合せで接続することができる。

図１Ａの実施形態に示したように、サブスタック２１０の各々は、他のサブスタックから独立してサブスタック２１０を制御することができるＤＣ制御モジュール２５０に接続されている。燃料電池電力システム１００は、任意の数のストリング２００を含むことができ、ストリング２００の数、並びにサブスタック２１０及び燃料電池２１２の総数は、電力要件に依存することが理解されよう。

図１Ｂに示した一実施形態によれば、電池２１２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２１６を有する高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池とすることができる。バイポーラプレート２１８は、個々の燃料電池２１２の間に配置されて、それらを分離し、電池２１２間に電気的接続を提供する。バイポーラプレート２１８はまた、物理的な構造を提供し、個々の燃料電池２１２を積み重ねてサブスタック２１０及びストリング２００を形成し、より高い電圧を供給することを可能にする。いくつかの実施形態では、燃料電池電力システム１００は、メタノール、天然ガス、又は液化石油ガスなどを改質することによって生成された水素リッチガスによって燃料供給される。他の実施形態では、燃料電池電力システム１００は、水素などの他の燃料によって燃料供給され得ることが理解されよう。燃料電池電力システム１００では、固体酸形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、アルカリ形燃料電池を含む、任意の他のタイプの燃料電池を使用できることが理解されよう。

この燃料電池電力システム１００では、各ストリング２００は複数のサブスタック２１０に分割される。図２～図４に示した一実施形態によれば、９個のサブスタック２１０を有するストリング２００が示されている。この実施形態では、各サブスタック２１０内に２０個の電池があり、ストリング２００内に合計１８０個の電池がある。各サブスタック２１０は、電力調整のためのＤＣ制御モジュール２５０を有する。図２～図４に示した実施形態では、プリント回路基板（ＰＣＢ）２７０がサブスタック２１０の各々に直接取り付けられている。この実施形態によれば、各ＰＣＢ２７０はＤＣ制御モジュール２５０を含む。各サブスタック２１０の出力電圧は、以下により詳細に説明されるように、ＤＣ制御モジュール２５０によって独立して制御することができる。

ＰＣＢ２７０は、任意の数のサブスタック２１０を制御することができるが、サブスタック２１０の各々は、サブスタック２１０の各々独自のＤＣ制御モジュール２５０によって制御され、他のサブスタック２１０から独立して（すなわち電気的に絶縁されて）制御されることが理解されるであろう。例えば、一実施形態では、各サブスタック２１０は、ＤＣ制御モジュール２５０独自のＰＣＢ２７０上にある、各サブスタック２１０独自のＤＣ制御モジュール２５０によって制御される。別の実施形態では、ＰＣＢ２７０は、３つの異なるＤＣ制御モジュール２５０を有し、それぞれが独自のサブスタック２１０を制御する（しかし、各サブスタックは個別に制御され、１つのサブスタック２１０を遮断し、他の２つのスタック２１０をオンのままにすることができる）。更に別の実施形態では、各ＰＣＢ２７０が９個のＤＣ制御モジュール２５０を有し、それぞれが独自のサブスタック２１０を制御する（図１Ｃに示されている）。

図１Ｄは、一実施形態による、１つのＤＣ制御モジュール２５０を含むＰＣＢ２７０の回路を示している。他の実施形態では、ＰＣＢ２７０が複数のＤＣ制御モジュール２５０を含んでもよいことが理解されるであろう。図１Ｄに示したように、ＤＣ制御モジュール２５０は、正ゲートドライバ２７１、負ゲートドライバ２７２、電圧リミッタ２７３、２７４、「降圧」トランジスタ２７５、「シャント」トランジスタ２７６、ＤＣフィルタネットワーク２７７、モジュール電圧センサ２７８、電圧レギュレータ２７９、マイクロコントローラチップ２８０、サブスタック電圧センサ２８１、電圧基準２８２、及び電圧アイソレータ２８３、２８４を含む。図１Ｄに示したように、ＤＣ制御モジュール２５０は、マスタシステムコントローラ２６０と通信して、データ及びコマンドを送信及び受信する。本明細書で使用される「可変電力」回路は、正ゲートドライバ２７１、負ゲートドライバ２７２、電圧リミッタ２７３、２７４、「降圧」トランジスタ２７５、及びＤＣフィルタネットワーク２７７を含むことが理解されるであろう。バイパススイッチ２８５は、図１Ｄに示したように、ＤＣフィルタネットワーク２７７の一部である。

上述したように、各サブスタック２１０は、複数の燃料電池２１２を含む。サブスタック２１０は、互いに接続されて電力ネットワーク内のストリング２００を形成し、外部負荷に電力を供給する。図４は、ストリング２００の端面図であり、燃料電池のエンドプレート２３０を示している。図４に示したように、エンドプレート２３０は、燃料／空気が流れる２つのマニホールド２４０を有する。

本明細書で説明する実施形態では、１つの電池２１２が故障すると、故障した電池２１２を含むサブスタック２１０をＤＣ制御モジュール２５０によってシャットダウンして電源ネットワークから取り外し、他のサブスタック２１０を保護し、動作及び電力の生成を継続できるようにすることができる。故障した電池２１２を含むサブスタック２１０をシャットダウンすることにより、システム１００の残りの部分が保護される。故障した電池２１２内の弱い電極に電流が流れ続けることができる場合、電池電圧がマイナスになり、局所的な発熱が引き起こされることがあり、それにより発火、更には爆発を引き起こす可能性がある。

４つのストリング２００を有する燃料電池電力システム１００の例を表１に示す。この実施形態によれば、各ストリング２００は１８０個の電池２１２を有する。各ストリング２００は９個のサブスタック２１０を有し、各サブスタック２１０は２０個の電池２１２を有する。燃料電池電力システム１００の信頼性を実証するために、電池の故障率を０．５％と仮定する。したがって、最悪のシナリオでは、予想される寿命の前に４つの電池が早期に故障する可能性がある。故障した電池は、異なるサブスタック２１０内に位置し得る。燃料電池電力システム１００は、これら４つの故障したサブスタックを電力ネットワークから除去し、他のサブスタックが動作し続けることを可能にすることができる。

この実施形態における電力とサブスタック２１０の数との関係を図５に示す。サブスタック２１０の数が増えるにつれて、最小利用可能電力も増大する。図５に示した実施形態では、サブスタック２１０の総数が３６個である場合、４個のサブスタックが故障した後でも、燃料電池電力システム１００は定格電力の８９％を依然として生成することができる。故障したサブスタックによる電力損失を補うために他のサブスタック２１０の出力を増加させることができ、燃料電池電力システム１００は定格電力を生成し続けることができることは指摘に値する。対照的に、従来の燃料電池スタックは、１つの電池が故障すると電力生成能力を完全に失う。燃料電池電力システム１００の設計は、電池故障率に従って変更することができることに留意されたい。例えば、電池の故障率が低下するにつれて、サブスタック２１０の数を減らすことができる。

図６～図８は、ストリング２００内のサブスタック２１０を接続するための異なる方法を示している。図６に示した第１の方法によれば、各サブスタック２１０は、単極双投スイッチを介して電力ネットワークに接続される。スイッチがダウン位置にあるとき、サブスタックは、ネットワーク内の他のサブスタックに直列に接続され、電流はスタックを通って流れる。スイッチがアップ位置にあるとき、サブスタック（例えばサブスタックｊ）はネットワークから切り離され、電流はスタックをバイパスする。

第２の方法によれば、図７に示したように、各サブスタックは双極双投スイッチを介して電力ネットワークに接続される。スイッチが左位置にあるとき、サブスタックは、ネットワーク内の他のサブスタックに直列に接続され、電流はスタックを通って流れる。スイッチが右位置にあるとき、サブスタック（例えばサブスタックｊ）はネットワークから切り離され、電流はスタックをバイパスする。図７に示したこの方法によれば、サブスタックの両方の端子がネットワークから切り離される。図６に示した方法では、一方の端子が依然としてネットワークに接続されており、これによりサブスタックが高電位にさらされる可能性がある。

第３の方法によれば、図１Ａ及び図８に示したように、各サブスタック２１０は、ＤＣ制御モジュール２５０を介して電力ネットワークに接続される。ＤＣ制御モジュール２５０は、１つ以上のサブスタック２１０が弱くなるか又は故障した場合に、燃料電池電力システム１００が動作を継続することを可能にする。各サブスタック２１０の出力は、調整可能なＤＣ制御モジュール２５０の入力に接続されている。上述したように、ＰＣＢ２７０は、複数のＤＣ制御モジュール２５０を含むことができる。したがって、ＰＣＢ２７０は２つ以上のサブスタック２１０を制御することができる（各サブスタックが、他のサブスタック２１０から独立してＤＣ制御モジュール２５０によって制御される場合）。したがって、２つ以上のサブスタック２１０の出力をＰＣＢ２７０の入力に接続することができる。ストリング２００のＤＣ制御モジュール２５０は、互いに直列に接続される（プラスからマイナス、プラスからマイナス）。このタイプの直列接続では、外部負荷に出力される電圧は加算されることが理解されよう。

図１Ａに示したように、マスタシステムコントローラ２６０は、通信バスを介して燃料電池電力システム１００に接続されている。マスタシステムコントローラ２６０は、通信バスを介して各ＤＣ制御モジュール２５０から電圧及び電流データを収集する。マスタシステムコントローラ２６０はまた、必要に応じて外部負荷への所望の出力電圧（又は電流）を設定するために、各ＤＣ制御モジュール２５０にコマンドを送信する。各ＤＣ制御モジュール２５０は、サブスタック２１０と外部負荷との間の調整可能な「線形電力リミッタ」として機能する。出力電力は、サブスタックの設計出力電力の０％～１００％の任意の値に設定することができる。

各サブスタック２１０によって生成される電力はＤＣ制御モジュール２５０によって独立して制御されるため、サブスタック２１０の性能が低い場合、ＤＣ制御モジュール２５０はサブスタック２１０の出力電力を低下させることができる。サブスタック２１０が故障した場合、ＤＣ制御モジュール２５０はサブスタック２１０の出力電力を０に低下させることができる。図１Ａ及び図８に示した接続方法によれば、電力ネットワーク内の電流が中断されることがなく、したがって電池の故障によりサブスタック２１０がシャットダウンされているときでも、燃料電池電力システム１００は動作を継続することができる。これに対して、図６及び図７に示した実施形態では、スイッチが位置を変えるときに電流が中断される。

電流・電圧分極曲線を使用して、サブスタック２１０の性能を求めることができる。分極曲線は、温度、反応物流量、及び圧力などの様々な要因に応じて、サブスタックに特有であることが理解されるであろう。図１５は、高温イオンペア（ＨＴ－ＩＰ）の例示的な分極曲線及びポリベンゾイミゾール（ＰＢＩ）燃料電池の分極曲線を示している。当業者はこれらの化学物質に精通しており、温度、使用年数、ガス組成、圧力、及び流量に基づいて曲線が上下することを理解している。当業者はまた、ＨＴ－ＩＰとＰＢＩが異なる標準分極曲線を有することも理解している。サブスタック２１０が正常な状態で動作しているか、出力が弱いか、又は出力が非常に弱いかは、サブスタック２１０の分極曲線に基づいて判定される。例えば、一実施形態では、サブスタック２１０がサブスタックの分極曲線より約１０％を超えて低い状態で動作している場合、そのサブスタックは弱い出力を提供していると見なされ得る。

燃料電池電力システム１００内の各サブスタック２１０の性能は、（１）サブスタックの所与の電流に対する電圧がサブスタックの定格性能の約９０％より高い場合は正常、（２）サブスタックの所与の電流に対する電圧がサブスタックの定格性能の約９０％より低く、かつサブスタックの定格性能の約７０％より高い場合は弱い、（３）サブスタックの所与の電流に対する電圧がサブスタックの定格性能の約７０％より低い場合は非常に弱い、と分類することができる。サブスタックの定格性能は、所与の電流におけるサブスタックの分極曲線によって提供されることが理解されよう。分極曲線の例を図１５に示す。

ＤＣ制御モジュール２５０も含むＰＣＢ２７０に組み込まれたセンサ（例えば２７８、２８１）を使用して、ＤＣ制御モジュール２５０に入力される、及びＤＣ制御モジュール２５０から出力される電流及び電圧の両方を監視する。一実施形態では、Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社（アリゾナ州チャンドラー）から市販されているｄｓＰＩＣ３０Ｆ３０１３チップが、ＤＣ制御モジュール２５０プロセッサチップとして使用される。他の適切なチップとしては、ＭＳＰ４３０チップ（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社（テキサス州ダラス）から市販されている）、３Ｓ１２ＨＺ１２８チップ（Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ社（現在のＮＸＰ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｎ．Ｖ．）（オランダ、アイントホーフェン）から市販されている）、及びＳＴ１０チップ（ＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社（スイス、ジュネーブ）から市販されている）が挙げられる。異なるセンサ３４０（図１２）を使用して、サブスタック２１０の温度を監視することができる。

ＤＣ制御モジュール２５０への電流及び電圧入力は、サブスタック２１０からのものであり、ＤＣ制御モジュール２５０からの電流及び電圧出力は、外部負荷へのものであることが理解されよう。データは、ＤＣ制御モジュール２５０とマスタシステムコントローラ２６０との間のバスを介して送信される。好ましい実施形態によれば、シリアル通信バスが使用される。他の可能なデータバスとしては、ＳＰＩ及びＩ^２Ｃバスが挙げられる。

正常動作下では、サブスタック２１０は、定格性能の約９０％で負荷に電力を供給することができる。弱い電力出力状態で動作しているときには、サブスタック２１０は、定格性能の約７０％～約９０％で、低減された電力を負荷に供給する。非常に弱い電力出力状態で動作しているときには、サブスタック２１０は、定格性能の約７０％未満で負荷に電力を供給する。

ＤＣ制御モジュール２５０は、温度制御機能も有する。起動時に、マスタシステムコントローラ２６０は、所望の設定温度値をＤＣ制御モジュール２５０に送信する。一実施形態によれば、ＤＣ制御モジュール２５０は、センサ温度３４０を使用して、サブスタック２１０の温度を少なくとも毎秒１回読み取る。マスタシステムコントローラ２６０は、（温度が設定値を下回る場合）ポンプ又はファンをオンにして、サブスタック２１０の温度を調節することができる。別の実施形態では、サブスタック２１０の温度は、以下でより詳細に説明するように、流体の流れを使用して調節することができる。

燃料電池電力システム１００では、マスタシステムコントローラ２６０は、各サブスタック２１０の出力電圧を監視する。サブスタック２１０の性能が正常である場合、マスタシステムコントローラ２６０は、コマンドを各ＤＣ制御モジュール２５０に送信し、各ＤＣ制御モジュール２５０が、負荷に出力される所望の電圧を設定する。

ＤＣ制御モジュール２５０を有する燃料電池電力システム１００では、サブスタック２１０が弱くなり、負荷に十分な電圧／電力を供給できない場合、マスタシステムコントローラ２６０は、ＤＣ制御モジュール２５０に、弱いサブスタック２１０からより少ない電力を引き出すように命令することができる。ＤＣ制御モジュール２５０は、「可変電力」回路（図１Ｄを参照）を使用して、サブスタック２１０の性能が正常になるまで、設計された出力電力に対して出力電力を段階的に低下させる。出力電力が減少すると、電圧が上昇することが理解されよう。その後、サブスタック２１０は、燃料電池電力システム１００をシャットダウンすることなく、この低下した電力状態で安全に動作することができる。「可変電力」回路は、設計出力電力に対する出力電力を、設計出力電力の０～１００％の間の任意の点に調整できることに留意されたい。

サブスタック２１０の性能が非常に弱い場合、設計出力電力に対する出力電力が０まで低下することがある。非常に弱いサブスタック２１０が存在する場合、マスタシステムコントローラ２６０は、非常に弱いサブスタック２１０を制御するＤＣ制御モジュール２５０に、ＤＣ制御モジュール２５０の「バイパススイッチ」（図１Ａを参照）を作動させるように命令し、非常に弱いサブスタック２１０は、もはや外部負荷に電力を供給しない。「バイパススイッチ」は、高速ソリッドステートデバイスである。他のスイッチングデバイスとは異なり、このタイプの「バイパススイッチ」を「オン」から「オフ」に切り替えても、外部負荷に対して潜在的に有害な電圧スパイク又はサージが発生しない。マスタシステムコントローラ２６０は、システム１００内のＤＣ制御モジュール２５０に、システム１００内の他のサブスタック２１０の出力電力を増加させて、非常に弱いサブスタック２１０の損失を補うように命令することができる。システム１００内に弱い又は非常に弱いサブスタック２１０があってもフルパワーが所望される場合、ＤＣ制御モジュール２５０は、弱い又は故障したサブスタック２１０をシャットダウンし、「可変電力」回路を使用して他のサブスタック２１０の出力電力を調整することができる。

燃料電池が電気を生成するとき、熱が発生する。したがって、所望の燃料電池動作温度を維持するためには、余分な廃熱を除去しなければならない。燃料電池の熱管理は、電力出力及び用途に応じて、空気冷却又は液体冷却を含む様々な方法によって行うことができる。高出力の輸送用燃料電池の場合、液体冷却が好ましく、なぜなら液体は高い熱伝導率及び熱容量を有するためである。このような用途には、図１２に示したような熱管理システム３００を使用することができる。熱管理システム３００は、スタックの温度を制御するために使用することができる。図１２に示した熱管理システム３００の一実施形態によれば、熱管理システム３００は、ポンプ３１０と、電気ヒータ３２０と、サーモスタット３５０と、ラジエータ３６０と、膨張タンク３７０とを含む。以下でより詳細に説明するように、サブスタック２１０から熱を除去するために冷却プレートを使用することができる。しかしながら、図１２に示した実施形態では、冷却プレートの代わりに、ヒートパイプ３３５とサブスタック２１０との間に配置された複数のヒートスプレッダ３３０が冷却を助ける。

例えば、エチレングリコールと水の混合物を熱伝達流体として使用することができる。燃料電池電力システム１００の起動中、熱管理システム３００は、サブスタック２１０を動作温度まで加熱することができる。サブスタック２１０の動作温度の適切な温度範囲は、３００℃までである。別の実施形態では、サブスタック２１０の適切な動作温度は、８０℃～２４０℃である。更に別の実施形態では、サブスタック２１０の適切な動作温度は、約１２０℃～１８０℃である。電力生成状態の間、熱管理システム３００は、サブスタック２１０に熱を供給するか、又はサブスタック２１０から熱を除去することによって、サブスタック２１０の動作温度を維持する。

液体冷却剤を使用して、サブスタック２１０から熱を除去し、ラジエータ３６０を通じて周囲空気に熱を放散させることができる。いくつかの実施形態では、サブスタック２１０は、３００℃までの温度で動作することができ、冷却剤温度は１５０℃を超えることができる。いくつかの実施形態では、燃料電池電力システム１００のラジエータのサイズは、典型的には８０～９０℃で動作する低温燃料電池のラジエータサイズよりもはるかに小さくすることができる。

二相冷却を使用して、本明細書に記載のサブスタック２１０から熱を除去することもできる。冷却レール３８０において、加熱時に冷却剤の一部が蒸気に変化し、蒸気／液体混合物が生じる。気化潜熱は液体の比熱よりも桁違いに大きくなり得るため、単相液体冷却と比較して、二相冷却では所与の流体量に対する熱放散が増大する。二相冷却では冷却剤の流量が減少し、したがって冷却剤ポンプの消費電力が減少する。加えて、二相冷却では、熱伝達係数が高まり、温度の均一性が改善される。

典型的には、スタック内に一定の間隔で挿入された冷却プレートを有する従来の燃料電池スタック内に冷却チャネルが組み込まれる。いくつかの実施形態によれば、サブスタック２１０は、エッジ冷却を使用することができ、図１３に示したように、冷却プレート２９０がサブスタック２１０の側面に装着されており、サブスタック２１０のエッジから熱を除去する。図１３は、ブロワ２９７を含む燃料電池電力システム１００の一実施形態の切断斜視図である。図１３に示したように、燃料電池電力システム１００の内部構成要素を示すために絶縁パッケージ２９８が切り取られている。

内部スタック冷却と比較して、エッジ冷却にはいくつかの利点がある。エッジ冷却では、スタックを密閉する問題がなくなり、信頼性も向上する。エッジ冷却プレート２９０はサブスタック２１０から電気的に絶縁されているため、冷却剤の電気伝導率は問題ではない。したがって、電気伝導率を低減するために冷却ループ内で冷却剤処理を行う必要がないため、冷却剤を選択する際の選択肢が増える。冷却剤は、エチレングリコール／水及びプロピレングリコール／水などの有機水溶液、又はギ酸カリウム／水などの無機水溶液とすることができる。これらの流体の動作温度は、約－５０℃～２２０℃の範囲である。

ヒートパイプ、液体冷却剤、強制空気、二相流体などの熱管理機構２９３を、冷却を助けるためにエッジ冷却プレートに埋め込むことができる。ヒートパイプは非常に大きな表面積を有する。したがって、市販のヒートパイプを改良してエッジ冷却設計に使用することができる。例えば、図１４に示したように、両端が開口した改良型ヒートパイプ２９２をアルミニウムプレート２９０に埋め込むことができる。図１４は、アルミニウムプレート２９０に装着されたヒートパイプ２９２の２つの異なるバージョンを示している。ヒートパイプ２９２は、図１４に示したように、Ｕ字型パイプ又は直線状パイプのいずれであってもよい。ヒートパイプ２９２の大きな内部表面積は、プレートからヒートパイプ２９２内の冷却剤への熱伝達を容易にする。

図１３に示した実施形態では、ストリング２００内に９個のサブスタック２１０が存在する。ストリング２００に対して単一の冷却プレート２９０を設けることができる。エッジ冷却用の冷却プレート２９０は、９個のゾーンに分割することができ、各サブスタック２１０に対して１つのゾーンを有する。各ゾーンは、対応するサブスタック２１０の温度を制御する役割を果たす。発熱はサブスタック間で変化し得るため、各ゾーンへの冷却剤流量を個別に調整して、サブスタック２１０の所望の温度を維持することができる。いくつかの実施形態によれば、冷却プレート２９０の各ゾーンは、各ゾーンへの冷却剤流量を個別に調整できるように、各ゾーン独自の熱管理機構２９３を有する。図１３に示した実施形態では、各ゾーンにおける熱管理機構２９３は蛇行形状である。図１４に示した実施形態では、ヒートパイプ２９２は、Ｕ字形及び直線状である。熱管理機構２９３は、任意の適切な形状であり得ることが理解されよう。いくつかの実施形態では、ヒートパイプを使用してサブスタック２１０から熱交換器に熱を伝達させることができ、熱交換器で熱を放散させることができる。

燃料電池電力システム１００は、動作モード又は非動作モードのいずれかであり得る。主な動作モードには、動作状態（実質的な電気出力電力）及び生成前状態（正味の電力出力が０）が含まれる。非動作モードには、コールド状態、パッシブ状態、及びストレージ状態が含まれる。一実施形態によれば、動作モードと非動作モードとの間に２つの主要な遷移、すなわち、起動及びシャットダウンが存在する。起動は、非動作モードから動作モードへの遷移であり、シャットダウンは、動作モードから非動作モードへの自動的な遷移である。

燃料電池電力システム１００の起動手順９００を図９に示す。ステップ９１０において、マスタシステムコントローラ２６０は、熱管理システム３００を使用してサブスタックを動作温度（例えば約１６０℃）まで加熱するようにＤＣ制御モジュール２５０に命令する。ステップ９２０において、ＤＣ制御モジュール２５０は、燃料電池サブスタック２１０が動作温度に達したかどうかをチェックする。動作温度に達した場合、起動手順９００はステップ９３０に進む。動作温度に達していない場合、熱管理システムはサブスタック２１０の加熱を継続する。サブスタック２１０が温度設定値に達した後、ステップ９３０において、燃料（例えば水素）及び酸化剤（例えば空気）を、マニホールド２４０を介してサブスタック２１０に供給する。

ステップ９４０において、サブスタック２１０の出力電圧Ｖｓｅｔを、外部負荷に基づいて決定する。ステップ９５０において、ＤＣ制御モジュール２５０の初期出力を、ＤＣ制御モジュール２５０の動作範囲の最小値に設定する。ステップ９６０において、ＤＣ制御モジュール２５０は、出力を徐々に増加させる。ステップ９７０において、すべてのサブスタック２１０の電圧を測定する。ステップ９８０において、サブスタック２１０の電圧が所定の最小値Ｖｍｉｎより小さいかどうかを判定する。サブスタック２１０の電圧が所定の最小値Ｖｍｉｎより小さい場合、ステップ９９０において、ＤＣ制御モジュール２５０の出力を前の設定値に変更する。調整は、すべてのサブスタック２１０の電圧がＶｍｉｎより大きくなるまで継続する。ステップ１０００において、すべてのＤＣ制御モジュール２５０の出力電圧を測定する。コンバータが電気的に直列に接続されているため、ＤＣ制御モジュール２５０の出力側を流れる電流は同一である。ＤＣ制御モジュール２５０の電圧の合計がストリング２００全体の出力電圧であるため、ステップ１０１０において、すべてのＤＣ制御モジュール２５０の電圧を加算する。ステップ１０２０において、ストリング２００の電圧が所望のＶｓｅｔより小さいかどうかを判定する。ストリング２００の電圧が所望のＶｓｅｔより小さい場合、ステップ１０３０において、電圧がＶｓｅｔに達するまで、ＤＣ制御モジュール２５０の出力を徐々に増加させる。ストリング２００全体の出力がＶｓｅｔに達するまで、このプロセスを繰り返す。出力電力は、電流センサを使用して測定される出力電流に出力電圧を乗算することによって計算される。

動作状態における燃料電池電力システム１００の制御シーケンスも同様である。動作温度及び出力電圧を維持するために、サブスタック２１０がマスタシステムコントローラ２６０及びＤＣ制御モジュール２５０によって連続的に監視され、調整される。

燃料電池電力システム１００を制御するためのグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）の一例を図１０に示す。ＧＵＩは、サブスタック２１０及びＤＣ制御モジュール２５０の電圧を表示する。ＧＵＩを使用して、ユーザはＤＣ制御モジュール２５０の出力を変更することができる。例えば、図１０に示した例では、出力は３９．３％に設定されている。各ＤＣ制御モジュール２５０の出力は、個別に制御することができる。任意の数のサブスタック２１０を、ＤＣ制御モジュール（複数可）２５０によって遮断して電力を生成しないようにすることができ、その一方で、残りのサブスタック２１０が、中断することなく電力を生成し続ける。あるいは、ＤＣ制御モジュール（複数可）２５０が、サブスタック２１０のいずれかによって生成される電力を低減することができる。

燃料電池電力システム１００の制御システムは、図１１の概略図に示したように、マスタシステムコントローラ２６０及び複数のＤＣ制御モジュール２５０を含む。一実施形態では、各サブスタックＤＣ制御モジュール２５０は、サブスタック２１０に直接取り付けられており、各サブスタックＤＣ制御モジュール２５０が取り付けられているサブスタック２１０を制御する。他の実施形態では、ＰＣＢ２７０は複数のＤＣ制御モジュールを含むことができ、ＰＣＢ２７０は２つ以上のサブスタック２１０を制御することができるが、各サブスタック２１０は、各サブスタック２１０独自のＤＣ制御モジュール２５０によって個別に制御される（すなわち、あるサブスタックを遮断する一方で、同じＤＣ制御モジュールによって制御される他のサブスタックをオンのままとすることができる）。これらのＤＣ制御モジュール２５０は、対応するサブスタック２１０の温度、電流、及び電圧などのプロセス変数を測定するセンサからデータを受信し、それらのデータをマスタシステムコントローラ２６０に送信する。上述したように、ＰＣＢ２７０に組み込まれているセンサを使用して、ＤＣ制御モジュール２５０に入力される、及びＤＣ制御モジュール２５０から出力される電流及び電圧の両方を監視する。マスタシステムコントローラ２６０は、データを分析し、実行するべき制御動作（例えば、サブスタックのシャットダウン、サブスタックの冷却、サブスタックの加熱）を決定し、制御命令をサブスタックのＤＣ制御モジュール２５０に送信し、ＤＣ制御モジュール２５０が、サブスタック２１０のバルブ及びスイッチなどの最終的な制御要素を制御する。

燃料電池の電圧と電流との間の関係は、分極曲線によって示すことができることに留意されたい。様々な等式（例えば、Ｖ＝Ｅ_ＯＣ－ｉｒ－Ａ・ｌｎ（ｉ）＋ｍ・ｅｘｐ（ｎｉ））を使用して、実験データを当てはめることができる。電流に加えて、燃料電池の電圧も、温度、圧力、流量、及び反応物組成などの動作条件によって影響を受ける。燃料電池の性能は、燃料電池が経年劣化するにつれて時間とともに低下する。機械学習を使用して、燃料電池の電圧を予測することができる。ＴｉｎｙＭＬは、マイクロコントローラなどの小型低電力デバイス上で実行することができる機械学習の一種である。適切なデータセットが提供されると、機械学習モデルをマイクロコントローラにアップロードし、プロセスセンサから収集したデータに基づいて燃料電池の電圧をリアルタイムで予測するために使用することができる。

上記のすべてを考慮すると、本実施形態は例示であって制限的なものではなく、本発明は本明細書に記載されている詳細に限定されず、添付の請求項の範囲及び等価物の範囲内で変更可能であることが明らかであろう。

Claims (20)

1. 少なくとも１つの燃料電池ストリングであって、複数の燃料電池サブスタックを含み、前記サブスタックが、互いに電気的に絶縁されており、各サブスタックが、複数の燃料電池を含む、少なくとも１つの燃料電池ストリングと、
   前記サブスタックを制御するように構成された複数のＤＣ制御モジュールであって、前記ＤＣ制御モジュールの出力が直列に接続されており、異なるＤＣ制御モジュールが、各サブスタックを制御するように構成されており、前記ＤＣ制御モジュールの各々が、他のサブスタックとは独立して、前記ＤＣ制御モジュールの各々の対応するサブスタックの出力電力の大きさを制御することができる、ＤＣ制御モジュールと、
   前記複数のＤＣ制御モジュールと通信するマスタシステムコントローラであって、前記ＤＣ制御モジュールからデータを受信し、前記ＤＣ制御モジュールにコマンドを送信する、マスタシステムコントローラと、
   を備える、燃料電池電力システム。
2. 前記ＤＣ制御モジュールが取り付けられた少なくとも１つの回路基板を更に備える、請求項１に記載の燃料電池電力システム。
3. 各ＤＣ制御モジュールが異なるプリント回路基板に取り付けられている、複数のプリント回路基板を備える、請求項２に記載の燃料電池電力システム。
4. 前記少なくとも１つのプリント回路基板が、前記複数のサブスタックに直接取り付けられている、請求項２に記載の燃料電池電力システム。
5. 前記燃料電池が、膜電極接合体を有する高分子電解質膜燃料電池である、請求項１に記載の燃料電池電力システム。
6. 複数の燃料電池ストリングであって、直列、並列、又は直列と並列の組合せで電気的に接続されている、複数の燃料電池ストリングを備える、請求項１に記載の燃料電池電力システム。
7. 前記サブスタックの温度を調節するように構成された熱管理システムを更に備える、請求項１に記載の燃料電池電力システム。
8. 前記サブスタックから熱を除去するために、前記サブスタックのエッジに冷却プレートが装着されており、前記冷却プレートに熱管理機構が埋め込まれている、請求項７に記載の燃料電池電力システム。
9. 前記熱管理機構が、ヒートパイプ、液体冷却剤、強制空気、及び二相流体からなる群から選択される、請求項８に記載の燃料電池電力システム。
10. 前記熱管理機構が、前記冷却プレートに埋め込まれたヒートパイプであり、液体が前記ヒートパイプを通って流れる、請求項９に記載の燃料電池電力システム。
11. 前記冷却プレートが複数のゾーンに分割されており、各ゾーンが、１つのサブスタックの温度を独立して調節するための各ゾーン独自の熱管理機構を備えて構成されている、請求項８に記載の燃料電池電力システム。
12. 複数の燃料電池サブスタックを備える燃料電池電力システムを制御する方法であって、
    前記サブスタックの各々からの電圧出力及び電流出力を監視するステップと、
    前記サブスタックのうちの１つ以上の温度を監視するステップと、
    サブスタックの所与の電流に対する前記電圧が、前記サブスタックの定格性能の約７０％より大きく、かつ前記サブスタックの定格性能の約９０％未満である一方で、他のサブスタックが定格性能の約９０％を超えて出力している場合に、前記サブスタックの出力電力を低減するステップであって、前記サブスタックの前記定格性能が、前記所与の電流における前記サブスタックの分極曲線によって提供される、ステップと、
    サブスタックの所与の電流に対する前記電圧が前記サブスタックの定格性能の約７０％未満である一方で、他のサブスタックが前記サブスタックの定格性能の約９０％を超えて出力している場合に、前記サブスタックの前記出力を遮断するステップと、
    を含む、方法。
13. 電圧が前記所与の電流に対する定格性能の少なくとも約９０％に増加するまで、前記サブスタックの前記出力電力が段階的に低減される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記サブスタックの前記出力を遮断するためのバイパススイッチを作動させるコマンドを、前記サブスタックを制御するように構成されたＤＣ制御モジュールに送信することによって、前記サブスタックの前記出力が遮断される、請求項１２に記載の方法。
15. マスタシステムコントローラが、前記システム内の他のＤＣ制御モジュールに、前記システム内の他のサブスタックの出力電力を増加させるように命令する、請求項１４に記載の方法。
16. 少なくとも１つの燃料電池ストリングであって、複数の燃料電池サブスタックを含み、前記サブスタックが互いに電気的に絶縁されており、各サブスタックが複数の燃料電池を含む、少なくとも１つの燃料電池ストリングと、
    前記サブスタックを制御するように構成された複数のＤＣ制御モジュールであって、前記ＤＣ制御モジュールの出力が直列に接続されており、異なるＤＣ制御モジュールが、各サブスタックを制御するように構成されており、前記ＤＣ制御モジュールの各々が、前記ＤＣ制御モジュールの各々の対応するサブスタックの性能が前記サブスタックの定格性能の約９０％未満である一方で、他のサブスタックが定格性能の約９０％を超えて出力している場合に、他のサブスタックとは独立して、前記対応するサブスタックの出力電力を低減することができ、前記性能が、前記サブスタックの所与の電流に対する電圧出力であり、前記サブスタックの前記定格性能が、前記所与の電流における前記サブスタックの分極曲線によって提供される、ＤＣ制御モジュールと、
    前記複数のＤＣ制御モジュールと通信するマスタシステムコントローラであって、前記ＤＣ制御モジュールからデータを受信し、前記ＤＣ制御モジュールにコマンドを送信する、マスタシステムコントローラと、
    を備える、燃料電池電力システム。
17. 前記ＤＣ制御モジュールの各々が、前記ＤＣ制御モジュールの各々の対応するサブスタックの性能が前記サブスタックの定格性能の約７０％未満である一方で、他のサブスタックが定格性能の約９０％を超えて出力している場合に、前記対応するサブスタックの出力電力を他のサブスタックとは独立してシャットダウンすることができる、請求項１６に記載の燃料電池電力システム。
18. 電圧が前記所与の電流に対する定格性能の少なくとも約９０％に増加するまで、前記ＤＣ制御モジュールの各々が、サブスタックの出力電力を段階的に減少させることができる、請求項１６に記載の燃料電池電力システム。
19. 前記マスタシステムコントローラが、前記サブスタックの前記出力を遮断するためのバイパススイッチを作動させるコマンドを、前記サブスタックを制御するように構成されたＤＣ制御モジュールに送信する、請求項１７に記載の燃料電池電力システム。
20. 前記マスタシステムコントローラが、前記システム内の他のＤＣ制御モジュールに、前記システム内の他のサブスタックの出力電力を増加させるように命令する、請求項１９に記載の燃料電池電力システム。

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