JP5751525B2 - 燃料電池発電装置の制御方法および燃料電池発電装置を備えた車両 - Google Patents

Description

起動時、シャットダウン時、電力減少の過渡時およびアイドリング時に、高分子電解質膜燃料電池発電装置は、選択的に、電気エネルギを貯蔵するか、電圧制限装置でこのエネルギを放散させるか、カソード空気を切り換えるか、またはこれらの組み合わせを利用する。

電池の高電圧条件時（例えば、約０．８７ボルト）で生じる、陽子交換型高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池の無定形カーボン触媒支持部および金属触媒の腐食が、燃料電池の性能の恒久的な低下を生じさせることが知られている。シャットダウン時には、不活性ガスによるパージが用いられなければ、空気が、燃料電池のアノード流れ場およびカソード流れ場の双方をゆっくりと均一に満たす。起動時には、水素が、アノード流れ場へと供給され、これにより、アノード流れ場の入口を主に水素にし、アノード流れ場の出口を主に空気にする。これにより、アノードの空気リッチ領域の反対側のカソードの電位が、標準の水素電極に対して１．４〜１．８ボルトの電位へと増加する。この電位によって、カーボン基触媒支持部が腐食し、電池性能が低下する。

５０，０００〜１００，０００回の起動／シャットダウンサイクルを経験し得る自動車の用途では、これが破滅的な性能の損失を生じさせる。これまでは、この問題についての解決策は、不活性ガス、例えば、窒素を用いてアノード流れ場をパージすることによって燃料電池スタックを安定化させることと、シャットダウンプロセス時および起動プロセス時に、燃料電池スタックを横切る補助的な負荷を維持することを有している。より最近の解決策は、スタック（燃料および空気）および関連した配管の全体を通して水素リッチガスを維持することを要求している。

自動車の用途では、不活性ガスの利用可能性が非常に複雑であり、パージするために不活性ガスを用いる装置が非常に高価なものとなる。また、水素リッチガスの維持が、設計の複雑さを要求することになる。また、補助的な負荷を用いると、補助的な負荷によって生じる熱を放散させる必要がある。

自動車の用途では、高分子電解質膜燃料電池発電装置は、一般に、要求の非常に広い範囲を有しており、非常に低い要求への変動が、開回路電圧条件を生じさせる。開回路電圧条件では、比較的高いカソード電圧によって、カソード触媒の腐食が生じ、これにより、性能が極端に低下する。このような燃料電池では電力要求が突然に増加するので、カソードへの反応空気流が、この要求を満たすように利用可能とされていなければならず、したがって、空気ポンプが、より高い電力要求の迅速な回復に適応するために、要求が低いときに動作し続けなければならない。

米国特許出願公開第２００６／００６８２４９Ａ１号明細書では、燃料電池スタックの起動およびシャットダウン時または他の電力減少の過渡時に、燃料電池スタック内での反応物の消費によって生成される見せかけのエネルギは、電気エネルギの形態で引き出され、燃料電池発電装置に関連したエネルギ貯蔵装置に貯蔵される。ブースト構成およびバック構成が開示されており、ブースト構成は、エネルギ貯蔵装置にエネルギを貯蔵することが望ましい電圧よりも燃料電池スタックの電圧が低いときに有効であり、バック構成は、エネルギがエネルギ貯蔵システムに貯蔵される電圧よりもスタックの電圧が大きいときに有効である。

米国特許出願公開第２００９／００９８４２７Ａ１号明細書では、ブロワによって供給される反応空気が、１つの電池につき０．８７ボルトよりも大きいような高いカソード電圧条件を生じさせ得る低い電力要求に応答して、大気へと迅速に切り換えられる。ブロワは、低い出力電力要求時に必要なレベルよりも高いレベルで動作し、したがって、出力電力要求の急速な増加に応答する準備ができている。

出力電力要求が急速に低下し、スタック内に残っている酸素つまり流れ場内の残余の酸素および触媒に吸収された残余の酸素を消費するプロセスで生成された電力を放散させるときはいつでも、任意選択的かつ補助的な負荷が、通常の負荷と並列に接続され得る。補助的な負荷は、低い要求時に大気へと切り換えられるブロワからの空気によって冷却され得る。

ある自動車の用途、例えば、例として、小荷物輸送および乗客用市内バスでは、アイドル条件へと電力要求が低下することが多い。一般のバスのルートでは、バスは、一日に１回または２回のみ出発するが、１２００回の停止／発進サイクルを経験することになり、バスが減速する場合には、要求がアイドル条件へと進み、その後、バスは、完全な電力要求に回復する。したがって、燃料電池スタックの異なる条件で適切な形式で電池電圧を制御することが必要である。

燃料チャネルが空気で部分的に満たされている場合に、スタックへの燃料が移動するかまたは止まるときに、起動またはシャットダウンによる損失が生じると判断されてきた。燃料電池スタックがシャットダウンされたときに、空気がチャネルへと急激に通流し、燃料が起動時にチャネルへと供給されたときに、チャネルは、燃料で部分的に満たされる。これは、アノードおよびカソードの双方の側のチャネル内に空気を有する電池領域に、局所的な電圧の反転が生じ、これにより、高い局所的な電圧と、付随するひどい腐食を生じさせる。これらの電圧は、約１．２０ボルトに達し得る。

しかし、停止および発進の電力サイクルにより生じる電池電圧は０．９０〜０．９５の電圧領域にあり、これは、起動時およびシャットダウン時の損失よりも非常に低い損失を生じさせる。しかし、シャットダウンおよび起動が所定の日に１回または２回のみであるのに対し、停止および発進は、一日に１２００サイクルも生じるので、停止および発進により受ける損傷は、寿命を非常に制限する。

ここでは、起動およびシャットダウンは、停止および発進とは別にして取り扱われなければならない。通常の動作時の燃料電池発電装置の電力要求が、燃料電池の電圧が閾値レベル以上に増加する点に減少するときには、空気は、電池電圧を減少させる動作点へと、生成された出力電力を制限するように、燃料電池のカソードから即座に切り換えられる。出力電圧は、上記動作点から閾レベル以下のレベルに達し得る。切換バルブが、閾レベル以下に電池電圧を維持しつつ、補助的な周辺機器（ＢＯＰ）装置の負荷の電力を生成するのに必要な量に、「ブリード空気」と呼ばれるカソード空気流の量を制限する。

周辺機器（ＢＯＰ）装置の負荷に加えて、貯蔵装置が閾充電状態（ＳＯＣ）よりも小さい場合には、エネルギ貯蔵システムは、該システムがアイドル状態に置かれたときに、過渡から生じる変化時に対し安全と思われる電圧レベル以下に電池電圧を維持するために、付加的な電力を十分に消費するように指令される。この電圧は、１つの電池につき約０．８７ボルトとすることができる。

他の点では、スタックは、二次装置、例えば、電圧制限負荷（ＶＬＤ）に接続され、該二次装置は、閾レベル以下に電池電圧を制限するように十分な電力を放散させつつ、補助的な（寄生的な）周辺機器装置の作動を許容するように構成されている。

他の変更が、発明を実施するための形態に照らして、さらに明らかになるであろう。

本発明が実施される、空気切換装置および空冷式電圧制限負荷を有した燃料電池発電装置の概略的なブロック図である。 本発明の実施を補助する簡潔かつ例示的な監視制御プログラムのフローチャートである。 停止および発進動作中の電池電圧を制御するための簡潔かつ例示的なプログラムのフローチャートである。 本明細書の形式を実施するときに、燃料電池発電装置をシャットダウンするように用いることができる簡潔かつ例示的なプログラムのフローチャートである。 本発明を実施するときに燃料電池発電装置を起動するように用いることができる簡潔かつ例示的なプログラムのフローチャートである。

図１では、車両１５０が、燃料電池スタック１５１を備えており、該燃料電池スタック１５１は、連続した複数の燃料電池を備えており、該燃料電池の各々は、アノード１７とカソード１９との間に陽子交換膜１６を有している。図１には、１つの燃料電池１２のみが示されている。燃料電池スタック１５１の正端子および負端子における電気出力部が、スイッチ１５８を介して一対のライン１５５，１５６によって電気またはハイブリッド車両推進システム１５９に接続されている。

水循環システムが、ベント部１６５を有したリザーバ１６４と、圧力制御トリムバルブ１６６と、水通路８４，８６，８８，８９と、システム内を循環する水を冷却するように選択的に作動可能なラジエータ１６８およびファン１６９と、水ポンプ１７０とを備えている。入口１７３における大気が、ポンプ、例えば、ブロワ１７４または圧縮機等によって、二方向切換バルブ１７２を介してカソード１９の酸化剤反応ガス流れ場へと供給され、そして、圧力調整バルブ１７５を介して排気部１７６へと提供される。水素が、供給源１７９から、圧力調整バルブとされ得る流れ調整バルブ１８０を介して、アノード１７の燃料反応ガス流れ場へと供給され、そして、パージバルブ１８１を介して排気部１８２へと提供される。燃料リサイクルループが、ポンプ１８３を備えている。

コントローラ１８５は、電流検出部１８６によって決定される負荷電流と、ライン１５５，１５６間の電圧とに応答する。また、コントローラ１８５は、ライン１８７に供給されるスタックの温度を備えることもできる。コントローラは、ライン１９０によってバルブ１８０を制御し、ライン１９１によってバルブ１７２を制御し、さらに、図１に示した他のバルブ１６６，１７５，１８１、スイッチ１５８、ポンプ１７０，１７４を制御する。

コントローラ１８５は、車両推進システム１５９からのライン１９３〜１９５，２２３でスタート信号、速度信号、要求信号およびオフ制御信号に応答し、これにより、燃料電池がいつ動作を開始すべきかと、車両推進システムによって要求される電力量とを示す。スタート信号が車両推進システム１５９からライン１９３を介してコントローラ１８５へと送られるときは常に、コントローラからの信号によって、バルブ１８０，１８１およびポンプ１８３は、アノード１７の流れ場へと燃料反応ガスを適切に供給するように作動し、バルブ１７２，１７５およびポンプ１７４は、カソード１９の流れ場へと大気を適切に供給するように作動する。簡潔かつ例示的な起動ルーチン３０３が、図４について後述される。

十分な量の燃料および空気が電池に均一に供給されたときには、適切な電圧が、コントローラ１８５によってライン１５５，１５６上で検出される。このとき、コントローラは、車両推進システム１５９に燃料電池スタック１５１を接続するようにスイッチ１５８を閉じることができる。

起動時およびシャットダウン時には、貯蔵コントローラ２００が、燃料電池スタック内に貯蔵されたエネルギをエネルギ貯蔵システム２０１に利用することにより、このエネルギを放散することができる。本実施例では、エネルギ貯蔵システム２０１は、車両推進システム１５９のバッテリである。他の実施例では、エネルギ貯蔵システム２０１は、他のバッテリとすることができ、コンデンサ、フライホイール、または他のエネルギ貯蔵装置とすることもできる。電流の充電状態が適切であるならば、エネルギ貯蔵機器２００，２０１は、高い要求時または低い要求時に、それぞれ、電力を供給または吸収することを補助する。

二方向切換バルブ１７２が、ポンプ１７４からカソード１９の酸化剤反応ガス流れ場へと、空気を供給しないか、もしくは、空気の一部または全部を供給するように調整される。例えば、車両が減速する、停止する、または下り坂で移動するときに燃料電池が開回路の電圧に近づく点へと負荷の要求が低下するときには、ライン１９１上のコントローラからの信号によって、バルブ１７２は、空気の一部または全部を大気へと迅速に切り換えるように調整される。要求が低いときには、空気ポンプは、スタックが、増加した要求に迅速に応答することができるように、燃料電池に必要な流れを超過した空気の流速で作動され得る。計量バルブ１７２を有した本発明の所定の実施例では、コントローラは、切換バルブ１７２が、適切に釣り合った量の空気を大気へと切り換えるように、負荷の逆関数としてライン１９１に信号を供給することができる。

空気を排気するように切換バルブ１７２を用いることによって、ポンプ１７４は、作動し続けることができ、カソードへと流れる空気の量は、少量の残余の空気のみがカソード流れ場内および電極構造体内に残るように、迅速に減少する。ある実施例では、ポンプ１７４の速度は、低負荷時に減速されることがあり、または停止されることさえある。

上述した装置は、二次装置、例えば、電力放散電圧制限負荷２２０と組み合わせて用いられており、電力放散電圧制限負荷２２０は、ライン２２２上の信号に応答して、コントローラによってスイッチ２２１を介して燃料電池出力ライン１５５，１５６に接続される。本実施例では、空気が切換バルブ１７２へと通流し該切換バルブ１７２を通して排気部へと通流するときに、電圧制限負荷２２０は、ポンプ１７４からの空気流によって冷却される。これにより、カソード内の残余の酸素からより多くのエネルギが放散することができる。電圧制限負荷２２０は、通常の動作中に、電圧制限負荷２２０前後の圧力降下が生じないように、切換バルブ１７２の下流側に配置される。電圧制限負荷２２０前後の圧力降下のために、空気がバルブ１７２によって切り換えられるときに、本実施例は、カソードへの空気流の急速な変化がより少ないことを必要とする。電圧制限負荷は、抵抗型負荷以外の二次装置を備えてもよい。

電圧制限負荷２２０の物理的な配置は、この電圧制限負荷２２０が大気によっても冷却されるような配置であることが好ましい。また、補助的な負荷が、ポンプ１７４とバルブ１７２との間に接続可能とされ得る。

本発明は、固定して、および他の形式の燃料電池発電装置でも用いられ得る。

本明細書の形式を用いるためには、制御図が有利である。本明細書における例示的な実施例の開示は、本発明を図示する全体の広範な機能的ステップおよび関係の代表的なものであるが、この発明を用いる燃料電池発電装置の動作のための適切な詳細部を完備している必要はない。しかし、明らかになるように、他の普通の詳細部が一般的であり、本技術分野で周知である。後述される例示的なルーチンが、関連したパラメータにおける変化のタイミングに応じて、繰り返しの形式で処理される。市内バスでは、本明細書のルーチンは、適切な制御を用いて、１秒間に１〜３回だけ実行され得る。開示したこれらのルーチンでは、フラッグが、１つの状態から他の状態へとプログラムを進行するように用いられる。上記フラッグは、上記他の状態へと置かれるフラッグのモードが開示される前に時々説明される。しかし、全体を通して、フラッグ全てが完全に説明されている。

図２では、簡潔かつ例示的な監視ルーチン２２４が、入口点２２５を通して入力される。第１のテスト２２７が、起動フラッグが既に設定されたかを決定する。発電装置がシャットダウンされた、動作している、またはシャットダウンしているプロセスにある場合には、発電装置が起動プロセスになく、テスト２２７の結果は負である。同様に、テスト２３０が、シャットダウンフラッグが設定されたかを決定し、該シャットダウンフラッグは、シャットダウン手順が実行されていることを示す。シャットダウンフラッグが設定されていないことを想定すると、テスト２３２が、動作フラッグが設定されたかを決定する。

本明細書で停止および発進の様式についての説明に到達することを容易にするために、燃料電池発電装置１５０が完全に動作可能であり、動作していることを仮定する。テスト２３２の肯定的な結果がテスト２３３に到達し、このテスト２３３が、ライン２２３（図１）上のオフ信号が車両推進システム１５９から受けられたかを決定するように、動作フラッグは設定された。オフ信号は、車両が、例えば、イグニションキー式オフスイッチの同等物によってオフにされたことを示す。車両が動作したままである場合には、テスト２３３の否定的な結果が、図３に示した電圧制限ルーチン２３６に到達する。

図３では、電圧制限ルーチンが、入口点２３８を通して実施される。第１のテスト２４０が、アイドルフラッグが設定されたかどうかを決定する。車両が通常の速度で移動していることを想定すると、アイドルフラッグは設定されておらず、そして、テスト２４０の否定的な結果がテスト２４１へと到達し、テスト２４１が、平均的または例示的な燃料電池電圧が閾電池電圧よりも大きいかを決定する。これは、過渡等を考慮して、腐食を防止するのに十分に低くされた安全な電池電圧、例えば、約０．８７ボルト、または本明細書の形式を利用する燃料電池発電装置に適切となるように決定された他の電圧を示す電圧である。車両が通常通りに移動していることを想定すると、電池電圧は過大ではなく、そして、テスト２４１の否定的な結果が、戻り点２４２へと到達し、戻り点２４２によって、コントローラのプログラミングが他のルーチンへと戻る。

時間が経つにつれて、車両は、停止点に近づき、要求を減少させることになる。要求が、例えばアイドル状態で、かなり低くなるときには、テスト２４１は、電池電圧が閾値に達したときに正になり、この正は、電池電圧が過大になっていることを示す。これは、ステップ２４３を生じさせ、該ステップ２４３は、テスト２４０で試験されるアイドルフラッグを設定する。十分な電力の生成を維持し、燃料電池の電圧が閾電圧よりも低いままとなるように、ステップ２４４が、必要な空気（「ブリード空気」）以外の空気全てを切換バルブが切り換える位置へと、切換バルブを設定する。そして、アイドルタイマが、ステップ２４５で開始される。

例として、７５キロワットの通常の最大電力を有した燃料電池発電装置を備えてなる市内バスを考える。約０．８７ボルトの安全な電圧を維持するために、燃料電池は、約２．８キロワットを生成しなければいけない。例えば、このような燃料電池発電装置では、例えば、冷媒ポンプ１７０、空気ブロワ１７４、燃料リサイクルポンプ１８３、コントローラ１８５および周辺機器の他の電力調整・制御装置のための補助的かつ寄生的な電力要求は、約１．５キロワットである。これは、低いレベルに電池電圧を維持するように生成される電力が、補助的な機器によって消費される電力を約１．３キロワットだけ超過するようになることを意味する。この超過した電力は、ある形式で、貯蔵されるか、または放散されなければならない。

切換バルブが適切な位置に開かれた後に、テスト２４６は、バッテリがより多くのエネルギを貯蔵することができるかを見るために、バッテリの充電状態、例えば、９０％よりも小さい充電状態を確認する。充電状態が９０％よりも小さい場合には、ステップ２４７が、電池電圧を０．８７ボルトに維持するために、十分に生成された電力を貯蔵するようにエネルギ貯蔵システムに指令する。そして、ルーチンは、戻り点２４２を通して他のプログラミングへと戻る。

図２の監視ルーチン２２４が図３の電圧制限ルーチン２３６に到達し、アイドルフラッグがステップ２４３において設定された後続の経路では、テスト２４０の肯定的な結果がテスト２４８に到達し、テスト２４８は、ライン１９５（図１）上の信号によって示される要求が、車両が加速されたことを示すある要求閾値よりも大きいかを決定する。要求閾値よりも大きくない場合には、車両はアイドリングしたままである。テスト２４８の否定的な結果が、再びテスト２４６に到達する。充電状態が貯蔵閾値に到達していない、例えば充電状態が９０％よりも低いままである場合には、ステップ２４７は、上述したように燃料電池の電圧を０．８７ボルトに維持するために、エネルギ貯蔵システムが取るいかなるエネルギを貯蔵するようにエネルギ貯蔵システムに指令し続ける。

最終的には、貯蔵装置は、９０％の充電に到達にすることがあり、そして、テスト２４６の否定的な結果が、テスト２４８へと到達し、該テスト２４８は、アイドルタイマが時間切れになったかを決定する。アイドル状態が開始されたときに、このアイドルタイマは、ステップ２４５において設定された。アイドルタイマは、問題となっている車両が一般に受ける義務の形式に応じて調節可能な値に設定され得る。例えば、繁華街の市内バスでは、運転手がランチスタンドで停止するかまたは一杯のコーヒーを買う状況に適応するために、時間閾値は２分と同じ低さ、または６分または７分以上と同じ高さとされ得る。この時間は、交通が規制された交差点や、乗客が入ったり出ていく停留所で一般に直面する時間よりも長い。一方、車両がパッケージ輸送用車両である場合には、時間閾値は、市内バスで生じ得る時間よりも長くなり得る。

アイドルタイマによって示される時間が時間閾値を超過しなかった場合には、テスト２４９の否定的な結果がステップ２５１に到達し、該ステップ２５１は、スイッチ２２１を閉じることによってスタックに電圧制限負荷２２０（図１）を接続する。これにより、超過したエネルギが、貯蔵されるのではなく、放散される。例示的な実施例では、０．８７ボルトでの１．３キロワットの放散について、この負荷は、約０．５４ミリオームである。これにより、周辺機器の補助的かつ寄生的な装置によって利用されないほぼ正確な量の電力が確実に放散される。一方、時間閾値に達した場合には、テスト２４９の肯定的な結果がステップ２５２に到達し、該ステップ２５２は、切換バルブが最大量の空気を切り換えるように切換バルブを設定する。最大量の空気は、空気全てとすることができ、または空気全てよりも少ないものとすることができる。しかし、これは、種々の動作パラメータ全てと、ブロワ速度がステップ２５３において減少されたかどうかとに応じて、燃料電池スタック内の空気を不足させるのに十分であるべきである。前述したように、ブロワ速度は、車両がアイドル状態から加速するときに空気の急速な供給を補助するために、通常の動作速度に維持され得る。一方、ブロワ速度は、多少減少されてもよく、または、ブロワは、いかなる理由、例えば、貯蔵されたエネルギを保存することのために必要であると分かった場合には、オフにされてもよい。任意選択的に、状況によって一方または他方を単独で用いることが許容されている場合には、ステップ２５２のように最大の空気を切り換えることおよびステップ２５３のようにブロワ速度を減少させることの双方を必要としない。そして、ステップ２５５が、貯蔵システム内の貯蔵されたエネルギから動作するように周辺機器を接続し、これは、電圧が安全な閾値よりも低くなるように燃料電池を十分に不足状態にするのに必要である。

ステップ２４７が実行された後に充電状態が９０％を超過している場合でさえ、テスト２４６は、電力が貯蔵される代わりに、電圧制限負荷が電力を吸収するように、（１秒以内に）次の経路で実行を切り換えることができる。この柔軟性は、貯蔵を最大限に利用し、浪費的なエネルギの放散を最小限にすることができ、このエネルギの放散は、必要なエネルギの放散のみとなる。

監視ルーチンおよび電圧制限ルーチンを通した後続の経路では、車両は、最終的には移動し始め、ライン１９５（図１）上の要求は、閾値を超過し、テスト２４８が肯定的になり、そして、ステップ２５７に到達し、該ステップ２５７は、スタックに空気全てを導くよう切換バルブを設定する。ステップ２５９が、電池電圧を制御するためのエネルギの貯蔵を停止するようにエネルギ貯蔵システムに指令し、そして、エネルギ貯蔵システムの制御が、貯蔵コントローラ２００（図１）の他のルーチンへと戻る。ステップ２６１が、電圧制限負荷２２０（図１）を非接続状態にするようにスイッチ２２１（図１）を開く。（ステップ２５９または２９１は、害を及ぼすことなく冗長性がある。）そして、ステップ２６４が、アイドルフラッグをリセットし、プログラミングが、戻り点２４２を通して他のルーチンに戻る。

図２の監視ルーチン２２４を通した後続の経路では、動作フラッグが設定されたままで、図３の電圧制限ルーチンに到達しているが、電圧制限ルーチンを通したこの経路では、アイドルフラッグがステップ２６４でリセットされたので、テスト２４０は否定的であるため、テスト２４１に到達し、該テスト２４１は、電池電圧が閾値よりも大きいか見る。一般の場合には、増加しているまたは通常の要求のときには、電池電圧は、過大ではなく、そして、テスト２４１の否定的な結果によって、プログラミングが、単に、戻り点２４２を通して他のルーチンへと戻る。

これは、アイドル条件を形成するために、図３について上述した取り交わしを生じさせる次の停止まで継続する。車両の停止の全てにおいて、電力システムがアイドルへと進み、そして、アイドルから加速している間に、監視ルーチン２２４は、動作条件に置かれたまま、電圧制限ルーチン２３６に到達し、電圧およびアイドル時間は、試験され続け、動作は、上述した条件に応答する。

したがって、停止および起動の場合には、システムは、常に、電池電圧を迅速に減少させるように空気を切り換え、その後、可能であれば、超過した電力を貯蔵するか、または貯蔵が可能でなければ電力を放散させ、もしくは長いアイドル期間中にスタック内の空気を不足状態にする。「超過した電力」は、システムが周辺機器の補助的かつ寄生的な電力を作用させるのに用いることができる電力を超過した安全なレベルに電池電圧を維持するように、スタックによって生成された電力の量として定義される。

最終的に、一日の終わりが来て、推進システムの作業者が、オフ信号がライン２２３（図１）に供給されるように（例えば、イグニションキーと同等物をオフにすることによって）指示を提供する。図２の監視ルーチン２２４を通した後続の経路が、テスト２３３の肯定的な結果に達する。これは、ステップ２６６に到達し、該ステップ２６６は、動作フラッグをリセットし、ステップ２６７が、シャットダウンフラッグを設定し、そして、図４のシャットダウンルーチン２６８へと進む。

シャットダウンルーチン２６８が、入口点２７１を通して図４において実行され、任意選択的な第１のテスト２７３が、本明細書の形式を用いる構成が任意選択的な空気ブロワリサイクルシステム（一般的であるが、本明細書では図示せず）を有しているかを決定する。空気ブロワリサイクルシステムを有している場合には、テスト２７３の肯定的な結果が、ステップ２７６に到達し、該ステップ２７６は、任意選択的な空気入口バルブ（図示せず）を閉じ、ステップ２７７が、任意選択的なカソードリサイクルバルブ（図示せず）を開く。つまり、上記のオプションでは、ブロワ１７４（図１）は、スタックに空気を吹き込むことから、カソード入口へカソード排気を戻すことへと変化する。これは、各燃料電池が、ある条件に置かれることの助けとなり、この条件では、カソードおよびアノードの双方が、それらの中に水素を有しており、この水素が、本技術分野において周知のように、腐食に対して保護を与え、後続の規則的な起動を提供する。

空気ブロワがカソードの循環のために用いられていない場合には、テスト２７３の否定的な結果が任意選択的なステップ２７９に到達し、該ステップ２７９は、空気ブロワ１７４（図１）をオフにし、ステップ２８０が、任意選択的なカソードリサイクルブロワ（図示せず）をオンにし、ステップ２７７が、任意選択的なカソードリサイクルバルブを開く。効果については、同じである。

いずれにしても（または、任意選択的にカソードを循環するためのテスト２７３が存在しない場合に、入口点２７１から直接的に）、テスト２８２が、充電状態が９０％よりも小さいかを決定する。充電状態が９０％よりも小さい場合には、ステップ２８５が、スタックから来る電力全てを貯蔵するようにエネルギ貯蔵システム２０１に指令する。これは、貯蔵された電力量が、図３について説明した本明細書の形式に応じて非常に選択的であるアイドル時に生じるものとは異なる。

充電状態が９０％よりも小さくない場合には、ステップ２８７が、スイッチ２２１を閉じることにより、電圧制限負荷２２０（図１）を接続する。シャットダウンの効果は、生成される電力量が急速に減少することであるので、電圧制限負荷が大量の電力を放散させるのに十分である限り、電圧制限負荷の大きさは重要ではない。したがって、起動およびシャットダウンのための電圧制限負荷と同じ電圧制限負荷をアイドルのために用いることが可能である。一方、本明細書の形式の他の実施例では、いくつかの電圧制限負荷が存在し得るものであり、これらの負荷は、プロセスの段階、即ち、起動、シャットダウン（電力開始または電力減少の過渡時）、または関連したアイドルに応じて選択され得る。

ステップ２８５，２８７に応じて電力が貯蔵されるか、または放散された後には、テスト２９０が、アノード燃料のパージがいつ完了するのかを決定する。これは、カソードが入口空気からリサイクル空気へと変化したので、時間の経過によって単に決定されるか、またはアノード出口の水素濃度を検出することによって決定されるか、もしくは他の形式、例えば、生成される電力の電圧を検出することによって決定され得る。これらの方法は一般的であり、本明細書の形式の特定の実施に合うように選択され得る。

燃料電池がアノード燃料の内容物で安定になった後には、ステップ２９１は、燃料入口を閉じ、ステップ２９２が、電池電圧を制御するための貯蔵を（おそらく、冗長性をもって）停止するようにエネルギ貯蔵システムに指令する。そして、エネルギ貯蔵システムの制御が貯蔵用コントローラ２００（図１）の他のルーチンへと戻る。複数のステップ２９３が、補助的な電力装置の大部分をオフにし、該補助的な電力装置は、空気ブロワやカソードリサイクルブロワと、燃料リサイクルポンプと、冷媒ポンプと、ラジエータファンと、シャットダウンしている期間に用いられない他の周辺機器装置を有している。シャットダウンフラッグは、ステップ２９４でリセットされ、プログラミングが、戻り点２９６を通して他のルーチンに戻る。

図２の監視ルーチン２２４を通した次の後続の経路では、起動フラッグのテスト２２７が否定的であり、シャットダウンフラッグのテスト２３０が否定的であり、動作フラッグのテスト２３２が否定的であり、そして、テスト２９７が、スタートフラッグが設定されたかを決定する。スタートフラッグが設定されていなかった場合には、プログラミングが、戻り点２９９を通して他のタスクへと戻る。そして、燃料電池発電装置は、休止状態になり、起動の指令を待ち、電力を供給する。

車両推進システム１５０からライン１９３（図１）に供給されるスタート指令がない限り、監視システムは、テスト２２７，２３０，２３２，２９７の否定的な結果を通して戻り点２９９へと機能し、燃料電池発電装置は休止したままである。

最終的には、スタート指令がライン１９３（図１）上に現れ、そして、後続の経路が、スタートテスト２９７の肯定的な結果を見つけ、この結果が、ステップ３０１に到達し、ステップ３０１は、起動フラッグを設定する。そして、起動ルーチン３０３が、入口点３０５を通して図５で実行される。任意選択的に、燃料電池へのいかなる空気漏れが腐食を生じさせないことをより確実にするために、燃料電池発電装置の休止状態中に、カソードリサイクルを維持することができる。空気漏れが腐食を生じさせない場合には、ステップ３０８がカソードリサイクルをオフにする（リサイクルスイッチを開く、および／またはリサイクルブロワをオフにする）。

連続したステップ３１０が、空気ブロワを除いて、燃料リサイクルポンプ、冷媒ポンプ、ラジエータファン、周辺機器の他の寄生的かつ補助的な負荷をオンにする。そして、ステップ３１３において、燃料入口が開かれ、テスト３１４が、開回路電圧の検出によって、燃料入口を開いてからのおおよその時間によって、アノード排気部の水素濃度を測定することによって、または他の方法によって、水素以外のガス全てがアノードからいつパージされたかを決定する。

アノードが水素で適切に安定化されたときには、ステップ３１５が、空気ブロワをオンにし、規則的な電力の生成が開始される。初期の低電力の生成が燃料電池の電圧を過度に高く上昇させないようにするために、電力は、前述したように、貯蔵されるか、または放散される。望ましいならば、この例では、充電状態および負荷の測定値が、アイドル状態のものと異なっていてもよい。テスト３１６が、例えば、充電状態が８５％よりも小さいかを決定し、８５％よりも小さい場合には、ステップ３１７が、起動時の腐食に対して安全であると思われる電圧、例えば、０．１０ボルト以下に電池電圧を維持するために、十分な電力を貯蔵し、要求するようにエネルギ貯蔵システム２０１（図１）に指令する。充電状態が過度に高い場合には、テスト３１６の否定的な結果が、ステップ３２０に到達し、ステップ３２０は、スイッチ２２１（図１）を閉じ、電圧制限負荷２２０に燃料電池出力部１５５，１５６を接続する。

いずれにしても、テスト３２１が、生成された電圧が車両推進システム１５９（図１）への適用に適した閾電圧以上であるかを決定する。ルーチンは、電圧が適切になるまでテスト３２１で循環する。そして、テスト３２１の肯定的な結果が、ステップ３２２に到達し、ステップ３２２は、車両推進システム１５９に燃料電池を接続するようにスイッチ１５８（図１）を閉じ、ステップ３２３が、電圧制限負荷を非接続状態にし、ステップ３２４が、電池電圧を制御するための貯蔵を停止するようにエネルギ貯蔵システムに指令する。そして、エネルギ貯蔵システムの制御が、貯蔵用コントローラ２００（図１）の他のルーチンに戻る。

ステップ３２６が、起動フラッグをリセットし、ステップ３２７が、動作フラッグを設定する。そして、プログラムは、戻り点３３０を通して他のルーチンに戻る。

図２の監視ルーチン２２４を通した後続の経路では、起動フラッグのテスト２２７およびシャットダウンフラッグのテスト２３０は、現在、否定的であるが、動作フラッグのテスト２３２は、現在、肯定的であり、そして、テスト２３３に到達し、該テスト２３３は、燃料電池システムが、ライン２２３（図１）の信号によってオフにされるように指令されたかを見る。オフ指令が受けられるまで、電圧制限ルーチン２３６は、アイドル条件が生じたときにこれを扱うように繰り返して実行され、全てが、図３について上述されている。

いかなる使用において望ましくなければ、本明細書のある形式が、１つまたは複数の他の形式を用いることなく利用されてもよい。例えば、貯蔵から周辺機器へ給電しながらスタック内の空気を不足状態にする長いアイドルの特徴を、任意選択的に省略することができる。

本発明の概念の意図を逸脱することなく、本発明の実施例の変更および修正がなされ得るので、本発明を、付記の特許請求の範囲によって要求される以外の発明に限定することを意図していない。

Claims (9)

1. 燃料電池発電装置の制御方法であって、
   ａ）車両推進システム（１５９）に電力を供給するように前記燃料電池発電装置を動作するステップと、
   ｂ）前記車両推進システム（１５９）の通常の動作時に燃料電池電圧を監視するステップと、
   ｃ）前記燃料電池電圧が所定の電池電圧閾値に達したことに応答して、前記燃料電池電圧が前記所定の電池電圧閾値を超過しないようにするのに十分な電力を生成するために必要な量を除いて、反応空気全てを大気へと送給するように切り換えるステップと、
   ｄ）エネルギ貯蔵システム（２０１）の充電状態が所定の貯蔵閾値に達するまで、前記所定の電池電圧閾値よりも低く電池電圧を維持するのに必要な電力量と、補助的な周辺機器装置（１７０，１７４，１８３，１８５）によって消費される電力量との間の差に等しい量で、前記エネルギ貯蔵システム（２０１）に前記燃料電池発電装置の電力出力を貯蔵しつつ、前記ステップｃ）の後に、前記車両推進システム（１５９）の要求が要求閾値を超過するまで、前記燃料電池電圧が前記所定の電池電圧閾値を超過しないようにするのに十分な電力を生成するステップと、
   を含み、
   前記ステップｄ）において、前記エネルギ貯蔵システムの充電状態が前記所定の貯蔵閾値に達した場合に、電圧制限負荷（２２０）において、前記所定の電池電圧閾値よりも低く電池電圧を維持するのに必要な電力量と、前記補助的な周辺機器装置によって消費される電力量と、の間の差に概ね等しい電力量を放散し、さらに、
   前記ステップｄ）が、所定の時間閾値を超過する期間の間で継続する場合に、前記燃料電池発電装置内の空気を不足状態にし、前記エネルギ貯蔵システムによって供給される電力を用いて周辺機器を動作することを特徴とする、方法。
2. 燃料電池発電装置を備えた車両（１５０）であって、この燃料電池発電装置が、
   周辺機器（１７０，１７４，１８３，１８５）と、
   複数の燃料電池（１２）を備え、該複数の燃料電池（１２）の各々が、反応空気流れ場を有したカソード（１９）に隣接した膜電極アッセンブリ（１６）を有し、電力出力部（１５５，１５６）をさらに備えてなる、燃料電池スタック（１５１）と、
   前記カソードに反応空気を供給する空気ポンプ（１７４）と、
   前記反応空気流れ場に前記空気ポンプ（１７４）を接続し、かつ、切り換えられた空気を前記反応空気流れ場に通過させないように、前記空気ポンプ（１７４）からの空気を選択的に大気へと送給するように切り換えるように構成された切換バルブ（１７２）と、
   前記燃料電池スタック（１５１）の前記電力出力部（１５５，１５６）に選択的に接続可能な電圧制限負荷（２２０）と、
   を備え、
   車両（１５０）が、
   要求信号に応答して前記燃料電池スタック（１５１）によって選択的に給電されるように構成された車両推進システム（１５９）と、
   エネルギ貯蔵システム（２０１）と、
   前記エネルギ貯蔵システム（２０１）への電気エネルギの貯蔵と、前記エネルギ貯蔵システム（２０１）からの電気エネルギの取り出しとを選択的に制御する貯蔵用制御手段（２００）と、
   前記燃料電池スタック（１５１）、前記切換バルブ（１７２）、前記貯蔵用制御手段（２００）および前記電圧制限負荷（２２０）を選択的に制御するコントローラ（１８５）と、
   をさらに備え、
   前記コントローラ（１８５）は、動作モードにおいて、動作時に前記車両推進システム（１５９）によって消費される電力の減少に応答してアイドルモードに入り、該アイドルモードにおいて、前記コントローラ（１８５）は、ａ）前記燃料電池の電圧が所定のアイドル閾電池電圧を超過しないようにするのに十分な前記所定のアイドル電力を生成するために前記燃料電池スタック（１５１）によって必要とされる空気を除いて、空気全てを前記カソード（１９）から大気へと送給するように切り換えるように前記切換バルブ（１７２）を作動し、ｂ）前記燃料電池の電圧が所定のアイドル閾電池電圧を超過しないようにするのに十分な所定のアイドル電力を前記燃料電池スタック（１５１）によって生成し、ｃ）ｉ）前記エネルギ貯蔵システム（２０１）の充電状態が所定の充電状態閾値を超過しない限り、前記貯蔵用制御手段（２００）により、前記周辺機器（１７０，１７４，１８３，１８５）によって消費される電力量を前記所定のアイドル電力が超過する電力量を、前記エネルギ貯蔵システムに貯蔵し、ｉｉ）前記エネルギ貯蔵システム（２０１）の充電状態が所定の充電状態閾値に達した場合に、前記燃料電池スタック（１５１）によって前記所定のアイドル電力を生成し、前記燃料電池スタック（１５１）の前記電力出力部（１５５，１５６）の間に前記電圧制限負荷を接続し、前記電圧制限負荷は、前記所定のアイドル電力で、前記所定のアイドル電力が前記周辺機器（１７０，１７４，１８３，１８５）によって消費される電力量を超過するおおよその電力量を放散し、さらに、
   前記アイドルモードの期間が所定の時間閾値を超過した場合に、前記コントローラは、上記ｉ）またはｉｉ）を生じさせることを終了し、代わりに、前記燃料電池発電装置内の空気を不足状態にし、前記エネルギ貯蔵システムによって供給される電力を用いて前記周辺機器を動作させることを特徴とする車両（１５０）。
3. 前記アイドルモードは、前記車両推進システムの要求が要求閾値を超過するまで継続することを特徴とする請求項２に記載の車両（１５０）。
4. 前記コントローラ（１８５）は、前記アイドルモードにおいて、前記車両推進システム（１５９）の要求が所定の要求閾値を超過したことに応答して、前記切換バルブ（１７２）によって前記カソード（１９）に空気全てを導くことを特徴とする請求項２に記載の車両（１５０）。
5. 前記コントローラ（１８５）は、前記アイドルモードにおいて、前記車両推進システム（１５９）の要求が所定の要求閾値を超過したことに応答して、アイドル電圧を制御するための電力の貯蔵を終了し、前記電圧制限負荷（２２０）を前記燃料電池スタックから非接続にすることを確実にすることを特徴とする請求項４に記載の車両（１５０）。
6. 前記コントローラ（１８５）は、前記車両推進システム（１５９）からのオフ信号（２２３）に応答してシャットダウンルーチン（２６８）を開始し、該シャットダウンルーチン（２６８）において、前記コントローラ（１８５）は、ｉｉｉ）前記エネルギ貯蔵システム（２０１）の充電状態が所定の充電状態閾値を超過しない限り、前記貯蔵用制御手段（２００）によって、前記燃料電池（１２）の電圧が所定のシャットダウン閾電圧を超過しないように前記エネルギ貯蔵システム（２０１）に十分な電力を貯蔵し、ｉｖ）前記エネルギ貯蔵システム（２０１）の充電状態が所定の充電状態閾値に達した場合に、前記燃料電池スタック（１５１）の前記電力出力部（１５５，１５６）の間で前記電圧制限負荷（２２０）を接続することを特徴とする請求項２に記載の車両（１５０）。
7. 前記所定のシャットダウン閾電圧は、前記所定のアイドル閾電圧よりも高いことを特徴とする請求項６に記載の車両（１５０）。
8. 前記コントローラ（１８５）は、前記車両推進システム（１５９）からのスタート信号（１９３）に応答して起動ルーチンを開始し、前記起動ルーチンにおいて、前記コントローラ（１８５）は、ｖ）前記エネルギ貯蔵システムの充電状態が所定の充電状態閾値を超過しない限り、前記燃料電池（１２）の電圧が所定の起動閾電圧を超過しないように、前記エネルギ貯蔵システム（２０１）に十分な電力を貯蔵し、ｖｉ）前記エネルギ貯蔵システムの充電状態が所定の充電状態閾値に達した場合に、前記燃料電池スタック（１５１）の前記電力出力部（１５５，１５６）の間で前記電圧制限負荷（２２０）を接続することを特徴とする請求項２に記載の車両（１５０）。
9. 前記所定の起動閾電圧は、前記所定のアイドル閾電圧よりも高いことを特徴とする請求項８に記載の車両（１５０）。

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