JP4916991B2 - 急速凍結起動のための燃料電池起動方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムの作動方法に関する。より詳細には、本発明は、冷えた又は凍結した燃料電池システムを起動させる方法を対象とする。
車両用途において、凍結した又は冷えた燃料電池システムを起動させるには幾つかの難題がある。冷えた又は凍結した燃料電池スタック及び関連する構成要素を起動させるには、極めて特殊で、注意深く調整された手順が必要である。動作性能を最大化するために、燃料電池システムを可能な限り迅速に起動させ、暖めなければならない。
起動方法は、多くの異なる初期使用状態に対処できなければならない。たとえば、燃料電池システムが通常動作温度に達し、大きな需要量に見合った電力要件を満たすことができるようになる前に、操作者が直ちにそのような大きな需要量をシステムに課すことがある。逆に、操作者は、有るか無しかの需要量を燃料電池システムに長時間かけることもあるので、燃料電池システムは水を生成していても十分な熱は生成していないので、燃料電池システムの構成要素を凍結させることになる。
現在の燃料電池起動方法が直面するもう1つの問題は、特定の燃料電池システムの諸構成要素及びそれらの構成要素の特定の条件に対する適応性である。スタックが劣化すると、そのスタックは、新しいスタックが対応できるのと同じ負荷スケジュールを許容することができないし、異なるシステム内の各構成要素間にばらつきがあるため、起動方法の動作要件が変わることもある。
燃料電池スタックに負荷をかけすぎることなく、又は、低い電池電圧に起因して燃料電池スタックを動作停止させることなく、燃料電池スタックに急速に負荷をかけることによって燃料電池システムの温度漸増率の増大を平衡させることができ、且つ、冷えた又は凍結した燃料電池スタックに操作者が負わせる様々な初期使用状態を考慮することができる、冷えた又は凍結した燃料電池を起動させるための適応性のある方法を有することが望ましい。
本発明によれば、燃料電池スタックに負荷をかけすぎることなく、又は、低い電池電圧に起因して燃料電池スタックを動作停止させることなく、燃料電池スタックに急速に負荷をかけることによって燃料電池システムの温度漸増率の増大を平衡させることができ、且つ、冷えた又は凍結した燃料電池スタックに操作者が負わせる様々な初期使用状態を考慮することができる、冷えた又は凍結した燃料電池を起動させるための適応性のある方法発見された。この方法はまた、燃料電池システム及び高電圧バッテリの暖機時間を最適化し、使用者が燃料電池システムを動作停止させた後に燃料電池システムが起動するのに要する時間を最短にする。
一つの実施の形態では、燃料電池スタック、高電圧電源及び少なくとも1つの起動構成要素を有する燃料電池システムを起動させる方法は、高電圧電源の充電状態を決定するステップと、その高電圧電源の充電状態に応じて重要な構成要素を起動させるために電源を選択するステップと、燃料電池システムと高電圧電源との間の電力の流れを制御するステップと、負荷スケジュールを使用して所望の燃料電池スタック電圧を維持するステップとを含む。
上記ならびに本発明の他の利点は、好ましい実施の形態についての以下の詳細な説明を添付の図面に照らして考えれば、当業者には容易に明らかになろう。
以下の詳細な記述及び添付の図面は、本発明の様々な例示的な実施の形態を説明し、図示するものである。この記述及び図面は当業者が本発明を製作し使用できるようにするのに役立つが、本発明の範囲をどのようにも限定するものではない。開示された方法に関し、提示された諸ステップは本質的に例示であり、したがって各ステップの順番は必然的でも決定的なものでもない。
ここで図1を参照すると、関連する構成要素を備えた燃料電池システムの基本的な配置が示されている。しかし、実際には多くの変形があり得る。燃料電池システムに統合され、直列に電気的に接続された複数の個別の燃料電池からなる燃料電池スタック10の概略図が示されている。本発明の範囲から逸脱することなく、個別の燃料電池を並列に電気的に接続できることも理解すべきである。燃料電池スタック10のすべての個別燃料電池の各アノード側は、当該技術分野で一般に知られている方法により共に接続され、その結果得られたスタックのアノード側が参照数字12で示されている。同様に、スタック10の燃料電池のカソード側は、当該技術分野で一般に知られている方法により共に接続され、その結果得られたスタックのカソード側が参照数字14で示されている。様々な種類の燃料電池システムの動作は当該技術分野で一般に知られており、本願の権利者が所有する米国特許第6,849,352号に一つの実施の形態を見出すことができ、同特許の全体を参照により本明細書に援用する。したがって、説明では、本発明に関係する燃料電池システムの動作のみを説明する。
本明細書に示される実施の形態においては、燃料電池システムは制御システム16を含む。制御システム16は結線18を介してモータ20に電気的に連結される。結線18は電気的通信の任意の従来の手段であり得る。モータ20はコンプレッサ22と結合される。コンプレッサ22は、空気供給導管26を介して燃料電池スタック10のカソード入口24と流体連通している。導管26は密閉された通路を提供する任意の従来の導管であり得る。
加湿器28がコンプレッサ22とカソード入口24との間の導管26に配置される。加えて、他の実施の形態においては、本発明の範囲から逸脱することなく、コンプレッサ22とカソード入口24の間に他の構成要素(図示せず)を設けることもできる。
燃料電池スタック10のカソード側14は、当該技術分野で一般に知られた方法で接続された個別の燃料電池の複数のカソードを含む。それぞれの個別の燃料電池は、カソード入口24とカソード出口48との間に複数のチャンネルを有する。
複数の負荷34が、高電圧バス36を介して燃料電池スタック10に電気的に連結される。負荷34は結線40を介して制御システム16に連結される。たとえば図2に示すように、負荷34は、高温冷却液ポンプ30、推進モータ70、複数の燃料電池スタックの端部プレート・ヒータ72、少なくとも1つの電気的補助運転室ヒータ76、電気的補助冷却液ヒータ74及び複数の弁ヒータ78を含む。
補助ヒータ74は、通常、冷却液ループのラジエータ・バイパス部分(図示せず)に配置される。このヒータは局所的な閉ループ制御を有することが望ましい。また、起動時に電力を必要とする別の負荷は、高電圧バス36に電気的に連結されたコンプレッサ・モータ20である。
第1の電源50が、高電圧バス36を介して負荷34に電気的に連結され、また結線60を介して制御システム16に連結される。第1の電源50は約200〜300ボルトの比較的高い電圧を発生できるバッテリであることが望ましい。第2の電源52が結線58を介して制御システム16に連結される。第2の電源52は約12ボルトを発生できるバッテリであることが望ましい。また、バッテリ52は、DC/DC昇圧回路56を介して高電圧バス36に電気的に連結される。電圧バス36は接触器を介して燃料電池スタック10を第1の電源50に連結する。
図3A及び図3Bは、燃料電池システムを制御する方法を示している。動作において、制御システム16は、車両の運転者(図示せず)から来る起動要求82を受け取る。起動要求82を受け取ると、制御システム16は、エネルギーが十分であるかについて第1の電源50の充電状態を決定し、84において、複数の起動選択肢から1つの好ましい起動選択肢を決定する。電源の充電状態を調べるための方法は当該技術分野で一般に知られている。
十分なエネルギーが第1の電源50で検出された場合(84のY)、制御システム16は急速起動88を命令する。この実施の形態での十分なエネルギーは、約10kW及び80W時である。急速起動88の期間に、制御システム16は第1の電源50から最大限の電力を燃料電池スタックの起動構成要素に供給する。起動構成要素は、たとえばコンプレッサ22用のモータ20、弁ヒータ78及び高温冷却液ポンプ30を含み得る。しかし、理解されるように、所望により他の構成要素にも電力を供給できる。また、制御システム16は、燃料電池スタック端部プレート・ヒータ72及び電気的補助冷却液ヒータ74を含み得る複数の負荷34に電力を供給することができる。制御システム16は、システムの起動温度に基づき、電力をスタック・ヒータ72及び補助ヒータ74に供給する。ヒータ近傍の望ましくない局所的ホット・スポットを回避するために、リアルタイムの温度監視が典型的には用いられる。また、急速起動88の期間での第1の電源50の放電は第1の電源50を暖めるのにも役立つので、第1の電源50から引き出すことができる利用可能な電力及びエネルギーが温度の上昇とともに増大し、したがって間接的に起動時間全体を短縮する。
第1の電源50で検出されたエネルギーが不十分である場合(84のN)、制御システム16は低速起動86を命令する。低速起動86の期間には、制御システムは、急速起動88の期間よりも少ない電力を第2の電源52からDC/DC昇圧回路56を介して起動構成要素に供給する。低速起動86の期間に、典型的には、制御システム16は負荷34に電力を提供せず、コンプレッサ・モータ20及び弁ヒータ78には低い電力を提供する。
モータ20で駆動されるコンプレッサ22によって空気が燃料電池システムに引き込まれ、圧縮され、それから燃料電池スタック10のカソード入口24に供給されるので、コンプレッサ22、弁ヒータ78及び高温冷却液ポンプ30は起動構成要素に含まれる。エア・コンプレッサ22の回転速度は、制御システム16でモータ20を制御することによって変えることができ、それにより、エア・コンプレッサ22によって送り出される空気流が変化する。また、制御システム16は弁ヒータ78の温度を制御することができる。制御システムは結線を介して高温冷却液ポンプ30の回転速度を制御でき、したがって、燃料電池スタック10に送り出される冷却液を制御することができる。しかし、燃料電池スタック内の熱を保持するように、ポンプ30の起動を遅延させることもできる。
水素ガスが、当該技術分野で一般に知られている方法で、燃料インジェクタ43によってアノード側12に送出される。弁ヒータ78は燃料インジェクタ43を望ましい動作温度に保つ。燃料電池スタック10のカソード側14の空気とアノード側12の水素との間に反応が起こり、外部回路(図示せず)及び負荷34によって引き出すことのできる電子が放出される。
典型的には、制御システム16は、電子の放出を最大化するために、燃料電池スタック10のカソード側24に入る空気流を可能な限り効率的に制御する。しかし、制御システム16が、燃料電池スタック10の負荷を増大させるように一連の非効率的なカソード制御を実施し、それによって燃料電池スタック10の暖機速度を増大させることが望ましいこともある。
燃料電池スタック10が開回路電圧に達したとき、90において、制御システム16はコンプレッサ22及び弁ヒータ78への電力を減少させ、燃料インジェクタ43を開く。92において燃料電池スタック10が開回路電圧を達成すると、94において、制御システム16は、燃料電池スタック10を電圧バス36に接続している接触器62を閉じる。次いで、制御システム16は燃料電池スタック10に負荷をかけ始める。制御システム16は96において燃料電池スタック10の温度を継続して監視する。
108において、デフォルトの負荷スケジュールに従って、燃料電池スタック10の閉ループの電圧で電力が起動構成要素及び負荷34に供給される。制御システム16は、特定の動作条件から、負荷34の優先順位の変更を決定することができる。104において0.5ボルトの平均電池電圧又は0.2ボルトの最小電池電圧を維持するように制御システム16が燃料電池スタックに負荷をかけることが望ましいことが分かっている。電池電圧が所望の電圧より高い場合、制御システム16は、所望の平均電池電圧又は最小電池電圧が達成されるまで負荷を追加する。
燃料電池スタック10が所望の平均電池電圧又は最小電池電圧より低くなった場合、106において、制御システム16は、負荷が追加される場合と逆の順序で負荷を切り離すことによって、燃料電池スタック10の負荷を低減させる。冷えた状態の燃料電池スタック10に対する過激な変化を回避するために、負荷は、ランプ(ramp)関数を用いて追加され、切り離される。
制御システム16は、108において、デフォルトの負荷スケジュールに従って電力を燃料電池スタック10から供給する。最初に、エア・コンプレッサ・モータ20、高温冷却液ポンプ30及び弁ヒータ78などの、燃料電池システムの起動構成要素に電力が供給される。2番目に、車両がアイドリング状態でなければ、推進モータ70に電力が供給される。3番目に、燃料電池スタックの端部プレート・ヒータ72に電力が供給される。4番目に、電気的補助冷却液ヒータ74に電力が供給される。5番目に、電気的運転室ヒータ76に電力が供給される。6番目に、第1の電源50の再充電に電力が供給される。7番目に、制御システムは、非効率的なカソード制御を実施してコンプレッサ22にさらに負荷をかける。
デフォルトの負荷スケジュール108により起動負荷及び負荷34に供給される電力は、起動負荷及び負荷34の要求に従って時間とともに変化し得る。たとえば、第1の電源50がデフォルトの負荷スケジュール108の6番目のステップの期間に完全に充電された場合、第1の電源50への電力はゼロになる。
負荷スケジュール108は、ヒータの温度制御ループなど局所制御ループ(図示せず)と並行して、あるいは風防ガラスの霜取り要求など車両運転者の要求と並行して進行する。局所制御ループは負荷スケジュール108に優先することができる。
燃料電池スタック10から起動構成要素及び負荷34への電力供給の動作順序は、特定の状況に基づいて、デフォルトの負荷スケジュールから変わることができる。たとえば、局部的な燃料電池スタックの端部プレート温度がデフォルトの負荷スケジュールに優先する場合、重要構成要素、補助ヒータ74及び電気的運転室ヒータ76はすべて、燃料電池スタックの端部プレート・ヒータ72なしにアクティブであることができる。また、風防ガラス霜取り器に対する要求により、電気的運転室ヒータ76を負荷スケジュールにおいて高い優先順位に移すこともできる。さらに、第1の電源50が車両発進動作を損なうほどに消耗された場合には、電気的運転室ヒータ76への電力供給よりも上の優先順位を第1の電源に与えることもできる。
104において所望の平均電池電圧及び最小電池電圧を達成するために108において燃料電池スタック10の負荷を増大させることは、96において目標温度が達成されるまで維持されなければならない。現在、自動車のアイドリングは全システム電力の30%まで又はそれを超えており、たとえば、90kWの能力のシステムで30kWになる。
システムが閾値温度に達する前に停止要求98を受け取った場合には、96での目標温度に到達するまで、100において通常の暖機手順を完了することが望ましい。また、これは、動作停止の前に第1の電源50が限界充電状態へ戻されることを保証することができる。暖機が十分になされた場合、制御システム16は102において起動を終了し、システムを停止させる。
以上の説明により、当業者は、本発明の本質的な特性を容易に確認することができ、また様々な使用法及び条件に適合するように、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく本発明に様々な変更及び改変を加えることができる。
本発明の一つの実施の形態による、燃料電池システムの概略図である。 図1の燃料電池システムの下位システムを示すブロック図である。 図1の燃料電池を制御する方法を示す流れ図で、点Aで図3Bの流れ図と結びつく。 図1の燃料電池を制御する方法を示す流れ図で、点Aで図3Aの流れ図と結びつく。

Claims (15)

  1. 燃料電池システムを起動させる方法であって、
    (a)燃料電池スタック、第1の電源及び少なくとも1つの起動構成要素を提供するステップと、
    (b)前記第1の電源の充電状態を決定するステップと、
    (c)前記第1の電源の充電状態が十分である場合には、前記起動構成要素を起動させるために前記第1の電源を選択し、前記第1の電源の充電状態が不十分である場合には、前記起動構成要素を起動するために、前記第1の電源よりも低い電圧を発生する第2の電源を選択するステップと、
    (d)前記燃料電池システムと前記第1の電源との間の電力の流れを制御するステップと、
    (e)前記燃料電池スタックにかかる負荷を管理するための負荷スケジュールを使用して、所望の燃料電池スタック電圧を維持するステップと、
    を含む方法。
  2. 前記第1の電源により複数の負荷に電力を供給するステップをさらに含む、請求項に記載の方法。
  3. 前記少なくとも1つの起動構成要素がエア・コンプレッサ、弁ヒータ又は高温冷却液ポンプである、請求項1に記載の方法。
  4. 前記負荷が、燃料電池スタックの端部プレート・ヒータと補助起動冷却液ヒータと車両運転室ヒータとのうちの少なくとも1つを含む、請求項に記載の方法。
  5. 燃料電池スタック平均電池電圧を達成するために、前記負荷スケジュールを使用して前記燃料電池スタック出力を制御することによって前記ステップ(e)を実行するステップを含む、請求項1に記載の方法。
  6. 燃料電池スタックの最小電池電圧を得るために、前記負荷スケジュールを使用して前記燃料電池スタック出力を制御することによって前記ステップ(e)を実行するステップを含む、請求項1に記載の方法。
  7. 前記負荷スケジュールに従って負荷を追加又は除去するとき、前記燃料電池スタックに対する過激な変化を回避するためにランプ関数を利用するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  8. 前記負荷スケジュールと並行して、ヒータの温度制御ループなどの局所制御ループを動作させるステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  9. 前記局所制御ループが前記負荷スケジュールに優先することができる、請求項に記載の方法。
  10. 前記燃料電池スタックの温度を監視し、目標燃料電池スタック温度が達成されるまで、前記負荷スケジュールを使用して所望の燃料電池スタック電圧を維持するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  11. 燃料電池スタック、第1の電源、該第1の電源よりも低い電圧を発生する第2の電源及び複数の起動構成要素を有する燃料電池システムを起動させる方法であって、
    a.前記第1の電源の充電状態を決定するステップと、
    b.前記第1の電源の前記充電状態が十分である場合に、前記第1の電源を使用して前記起動構成要素を起動させるステップと、
    c.前記第1の電源の前記充電状態が不十分である場合に、前記第2の電源を使用して前記起動構成要素を起動させるステップと、
    d.前記燃料電池スタックが開回路電圧を達成した後に、前記燃料電池スタックを電圧バスに接続するステップと、
    e.所望の燃料電池電圧を維持するために、負荷スケジュールを使用して前記燃料電池出力を制御するステップと、
    f.前記負荷スケジュールに優先することができる局所制御ループを使用して、前記燃料電池に接続された前記起動構成要素を制御するステップと、
    g.前記燃料電池スタックの温度を監視し、目標燃料電池スタック温度が達成されるまで、前記負荷スケジュールを使用して燃料電池スタック出力を制御するステップと、
    を含む方法。
  12. 前記燃料電池スタックが開回路電圧を得た後、前記燃料電池スタックを前記電圧バスに接続する前に、前記起動構成要素への電力を低減させるステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。
  13. 前記前記燃料電池スタックが開回路電圧を達成した後、前記電圧バスに接続する前に、少なくとも1つの燃料インジェクタを開くステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。
  14. 前記所望の燃料電池電圧が、約0.5ボルトの燃料電池スタック平均電池電圧と約0.2ボルトの燃料電池スタック最小電池電圧とのうちの少なくとも一方である、請求項11に記載の方法。
  15. 少なくとも燃料電池の端部プレート・ヒータ、電気的補助冷却液ヒータ、電気的運転室ヒータ及び前記電圧電源の再充電に対して、動作のために前記起動構成要素に電力を供給する負荷スケジュールを利用することによって且つその順序で非効率的なカソード制御を利用することによって、前記ステップ(e)を実行するステップを含む、請求項11に記載の方法。
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