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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-01-11
(45)【発行日】2023-01-19
(54)【発明の名称】無人水上ビークル用の燃料電池発電システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20230112BHJP
H01M 8/04291 20160101ALI20230112BHJP
H01M 8/04014 20160101ALI20230112BHJP
H01M 8/04089 20160101ALI20230112BHJP
H01M 8/04701 20160101ALI20230112BHJP
H01M 8/04492 20160101ALI20230112BHJP
H01M 8/04828 20160101ALI20230112BHJP
H01M 8/04537 20160101ALI20230112BHJP
H01M 8/04746 20160101ALI20230112BHJP
H01M 8/04029 20160101ALI20230112BHJP
B63B 35/00 20200101ALI20230112BHJP
B63C 11/48 20060101ALI20230112BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 N
H01M8/04 J
H01M8/04291
H01M8/04014
H01M8/04089
H01M8/04701
H01M8/04492
H01M8/04828
H01M8/04537
H01M8/04746
H01M8/04029
B63B35/00 Z
B63C11/48 Z
【請求項の数】
13
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2018122575
(22)【出願日】2018-06-28
(65)【公開番号】P2019050181
(43)【公開日】2019-03-28
【審査請求日】2021-06-22
(31)【優先権主張番号】15/640,962
(32)【優先日】2017-07-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】518230393
【氏名又は名称】リキッド ロボティクス
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】カラレロ， マイケル エー．
(72)【発明者】
【氏名】ウィルコックス， ジェフリー スコット
【審査官】加藤 昌人
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１１／００３９１６９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００２－０５６８７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭４９－００３３０３（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開２００６－２２１９９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１８９５３８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／０４－８／０６６８
Ｂ６３Ｂ ３５／００
Ｂ６３Ｃ １１／４８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
無人水上ビークル（１２）用の電力システム（１０）であって、燃料電池スタック（８０）を含む燃料電池（２０）であって、前記燃料電池スタック（８０）が、燃料入口（４２）、空気入口（６０）、及び排気出口（５０）を含む、燃料電池（２０）、
前記燃料電池スタック（８０）の前記燃料入口（４２）に流体接続された少なくとも１つの燃料貯蔵モジュール（４０）を含む燃料貯蔵部（３４）であって、前記燃料貯蔵モジュール（４０）が前記燃料電池（２０）のためのエネルギー源である、燃料貯蔵部（３４）、
制御モジュール（９２）と電気通信する波センサ（８２）であって、波センサ（８２）は海況を示し、制御モジュール（９２）は少なくとも前記海況に基づいて電力システム（１０）の動作を継続または停止する判断を行う、波センサ（８２）、
前記燃料電池（２０）の前記空気入口（６０）及び前記排気出口（５０）に流体接続された空気管理システム（３０）、並びに
前記空気管理システム（３０）の一部であり、且つ、前記無人水上ビークル（１２）が水域内に配備されている間、前記燃料電池（２０）を作動させるために空気を供給する空気シュノーケル（７６）であって、
前記燃料電池スタック（８０）に供給された周囲空気を受け入れるための空気取入口（７０）と、
前記燃料電池スタック（８０）によって生成された排出空気及び排出水蒸気を排出するための排気口（７２）とを含む空気シュノーケル（７６）
を備えている電力システム（１０）。
【請求項2】
前記空気シュノーケル（７６）が、導管（１０１）、第１の空気弁（１０４）、及び第２の空気弁（１０６）を含み、前記周囲空気が、前記空気取入口（７０）を通して前記導管（１０１）に入り、前記排出空気及び排出水蒸気が、前記排気口（７２）を通して前記導管（１０１）から排出され、前記第１の空気弁（１０４）が、前記空気取入口（７０）に流体接続され、前記第２の空気弁（１０６）が、前記排気口（７２）に流体接続されている、請求項１に記載の電力システム（１０）。
【請求項3】
前記導管（１０１）が、水だめ（１１３、１１５）を画定し、前記空気シュノーケル（７６）が、前記水だめ（１１３、１１５）に流体接続された水ポンプ（１２２）を含み、前記第１の空気弁（１０４）及び前記第２の空気弁（１０６）を閉じて、次いで、前記水ポンプ（１２２）を起動することによって、前記水だめ（１１３、１１５）内に集められた水が除去される、請求項２に記載の電力システム（１０）。
【請求項4】
前記空気シュノーケル（７６）が、導管（１０１）、送風機（１３２）、及び前記送風機（１３２）の下流に配置されたヒーター（１３４）を含み、前記送風機（１３２）が、起動時に、強制空気を前記導管（１０１）にわたって循環させ、前記ヒーター（１３４）が、前記送風機（１３２）によって循環させられた前記強制空気の温度を上昇させる、請求項１から３のいずれか一項に記載の電力システム（１０）。
【請求項5】
前記空気シュノーケル（７６）が、再循環弁（１０８）及び導管（１０１）を含み、前記再循環弁（１０８）が、前記導管（１０１）に沿って配置された可変流量弁であり、且つ、前記空気取入口（７０）に入る前記周囲空気を前記排気口（７２）からの前記排出空気と混合する、請求項１から４のいずれか一項に記載の電力システム（１０）。
【請求項6】
前記導管（１０１）が、前記燃料電池スタック（８０）に流体接続され、前記再循環弁（１０８）が、全開位置又は複数の可変位置のうちの１つの位置のいずれかに開かれ、前記周囲空気の温度を目標燃料電池作動温度まで上昇させる、請求項５に記載の電力システム（１０）。
【請求項7】
前記制御モジュール（９２）は湿度センサ（２６０）及び周囲湿度センサ（８８）と通じ、前記湿度センサ（２６０）が、前記空気シュノーケル（７６）の導管（１０１）内に位置付けされ、前記燃料電池スタック（８０）から出る空気中の湿気を検出し、前記周囲湿度センサ（８８）が、周囲空気湿度を示し、前記制御モジュール（９２）が、凝縮器（１３０）及び送風機（１３２）と通じており、前記制御モジュール（９２）は、前記周囲空気湿度が閾値相対湿度を越え、前記燃料電池スタック（８０）が相当量の湿気を含むと判断したことに応答して、前記凝縮器（１３０）及び前記送風機（１３２）を起動させる、請求項１から６のいずれか一項に記載の電力システム（１０）。
【請求項8】
前記制御モジュール（９２）は送風機（１３２）と通じ、前記制御モジュール（９２）が、前記送風機（１３２）を起動させ、空気を前記空気シュノーケル（７６）の導管（１０１）にわたって再循環させ、前記制御モジュール（９２）が、前記送風機（１３２）によって消費された電力量を継続的にモニタリングし、前記送風機（１３２）によって消費された電力量を、前記燃料電池スタック（８０）を冷却するための熱交換器（１８０）の液体ポンプ（１７６）によって消費された電力量と比較し、前記制御モジュール（９２）が、前記送風機（１３２）によって消費された電力量と前記液体ポンプ（１７６）によって消費された電力量の比較結果に基づいて前記送風機（１３２）の動作と前記液体ポンプ（１７６）の動作を制御する、請求項１から７のいずれか一項に記載の電力システム（１０）。
【請求項9】
前記制御モジュール（９２）は、前記送風機（１３２）によって消費された電力量が、前記液体ポンプ（１７６）による平均電力消費量と等しいか又はそれより少ないと判断したことに応答して、前記送風機（１３２）の起動を保持し続け、前記燃料電池スタック（８０）を目標スタック温度まで冷却する、請求項８に記載の電力システム（１０）。
【請求項10】
前記制御モジュール（９２）は、前記送風機（１３２）が、前記熱交換器（１８０）の前記液体ポンプ（１７６）によって消費された電力量より多くの電力量を消費していると判断したことに応答して、前記送風機（１３２）を停止させ、且つ前記液体ポンプ（１７６）を起動させて、前記燃料電池スタックを目標スタック温度まで冷却する、請求項８に記載の電力システム（１０）。
【請求項11】
無人水上ビークル（１２）に電力供給するために使用される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電力システム（１０）の燃料電池（２０）を作動させるために空気を供給する方法であって、前記空気は、前記無人水上ビークル（１２）が水域内に配備されている間に供給され、前記方法が、前記燃料電池（２０）の燃料電池スタック（８０）の燃料入口（４２）に、少なくとも１つの燃料貯蔵モジュール（４０）を含む燃料貯蔵部（３４）を流体接続することであって、前記燃料貯蔵モジュール（４０）が、前記燃料電池（２０）のためのエネルギー源である、燃料貯蔵部（３４）を流体接続することと、
空気管理システム（３０）を前記燃料電池（２０）の空気入口（６０）及び排気出口（５０）に流体接続することと、
空気管理システム（３０）を前記燃料電池（２０）の前記空気入口（６０）及び前記排気出口（５０）に流体接続することと、
前記燃料電池（２０）を作動させるために、前記空気管理システムの一部である空気シュノーケル（７６）によって、空気を供給することであって、前記空気シュノーケル（７６）が、前記燃料電池スタック（８０）に供給された周囲空気を受け入れるための空気取入口（７０）、及び前記燃料電池スタック（８０）によって生成された排出空気及び排出水蒸気を排出するための排気口（７２）を含む、空気を供給することと
を含む方法。
【請求項12】
前記空気シュノーケル（７６）に、導管（１０１）、第１の空気弁（１０４）、及び第２の空気弁（１０６）を設けることを含み、前記周囲空気が、前記空気取入口（７０）を通して前記導管（１０１）に入り、前記排出空気及び排出水蒸気が、前記排気口（７２）を通して前記導管（１０１）から排出され、前記第１の空気弁（１０４）が、前記空気取入口（７０）に流体接続され、且つ前記第２の空気弁（１０６）が、前記排気口（７２）に流体接続されている、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記第１の空気弁（１０４）及び前記第２の空気弁（１０６）を閉じることによって、水だめ（１１３、１１５）内に集められた水を除去し、次いで、水ポンプ（１２２）を起動させることを含み、前記水だめ（１１３、１１５）が、前記導管（１０１）によって画定され、前記水ポンプ（１２２）が、前記水だめ（１１３、１１５）に流体接続されている、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
開示されたシステムは、無人水上ビークル用の電力システムに関し、より具体的には、燃料電池、及び燃料電池のエネルギー源である燃料貯蔵部を含む電力システムに関する。
【背景技術】
【0002】
無人水上ビークル（ｕｎｍａｎｎｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｖｅｈｉｃｌｅ）は、自律型水上ビークルとも呼ばれ得るが、水域の表面で動作する。無人水上ビークルは、探査、長期的モニタリング、民間及び防衛安全用途、並びに監視及び偵察のために使用される場合があり、過酷な条件や海の遠隔領域で用いられることがある。したがって、無人水上ビークルは、長期間にわたる任務を支えることができる高エネルギー電源を必要とする。例えば、幾つかの種類の無人水上ビークルは、最大１年間、広大な海域にわたって調査を行うことがある。
【0003】
電池、太陽電力、又は内燃機関などのエネルギー装置は、典型的に、動作中に無人水上ビークルに電力を供給するエネルギー装置として使用される。しかしながら、こうしたエネルギー装置は、欠点を有する場合があり、又は、長期間にわたって無人水上ビークルを動作させるのに必要なエネルギーを供給することができない。電池には、長期任務に必要なエネルギーを供給するのに十分なエネルギー密度が不足する。さらに、冬の間、より高い緯度では日射量が減るので、燃料電池も同じように実行可能な選択肢ではないかもしれない。内燃機関は、燃料補給が容易であり、迅速な応答時間を有する。しかしながら、内燃機関は、定期的なメンテナンスを必要とする複雑な機構であり、長期の無人運転における実用性が制限されるという制約がある。さらに、内燃機関では、著しい騒音が生じてしまい、多くの無人水上ビークル任務において望ましくない状況をつくりだしてしまう。
【発明の概要】
【0004】
一実施例では、無人水上ビークル用の電力システムが開示される。電力システムは、燃料電池、燃料貯蔵部、及び空気管理システムを含む。燃料電池は、燃料電池スタックを含む。燃料電池スタックは、燃料入口、空気入口、及び排気出口を含む。燃料貯蔵部は、燃料電池スタックの燃料入口に流体接続された少なくとも１つの燃料貯蔵モジュールを含む。 燃料貯蔵モジュールは、燃料電池のためのエネルギー源である。空気管理システムは、燃料電池の空気入口及び排気出口に流体接続されている。空気シュノーケルは、空気管理システムの一部であり、無人水上ビークルが水域面に配備されている間、燃料電池を作動させるために空気を供給する。空気シュノーケルは、燃料電池スタックに供給された周囲空気を受け入れるための取入口、及び燃料電池スタックによって生成された排気空気及び排気水蒸気を排出するための排気口を含む。
【0005】
別の実施例では、無人水上ビークル用の電力システムが開示される。電力システムは、燃料電池、燃料貯蔵部、並びに燃料及び熱管理システムを含む。燃料電池は、燃料電池スタックを含む。燃料電池スタックは、燃料入口を含む。燃料貯蔵部は、燃料電池スタックの燃料入口に流体接続された少なくとも１つの燃料貯蔵モジュールを含む。燃料貯蔵モジュールは、燃料電池のためのエネルギー源である。燃料及び熱管理システムは、燃料電池スタックの燃料入口に流体接続されている。燃料及び熱管理システムは、熱交換器、流量弁、圧力調整器、及び導管を備えている。熱交換器は、作動中に燃料電池スタックによって生成された廃熱を除去するために、燃料電池スタックと熱的に連通している。導管は、燃料貯蔵部を燃料電池スタックに流体接続し、流量弁及び圧力調整器の両方が、導管に沿って配置されている。
【0006】
さらに別の実施例では、電力システムの燃料電池を作動させるために、空気を供給する方法が提供される。電力システムは、無人水上ビークルに電力供給するために使用される。空気は、無人水上ビークルが水域内に配備されている間に供給される。当該方法は、少なくとも１つの燃料貯蔵モジュールを含む燃料貯蔵部を燃料電池の燃料電池スタックの燃料入口に流体接続することを含む。燃料貯蔵モジュールは、燃料電池のためのエネルギー源である。当該方法は、空気管理システムを燃料電池の空気入口及び排気出口に流体接続することをさらに含む。当該方法は、空気管理システムを燃料電池の空気入口及び排気出口に流体接続することをさらに含む。当該方法は、空気管理システムの一部である空気シュノーケルによって、空気を供給し、燃料電池を作動させることをさらに含む。空気シュノーケルは、燃料電池スタックに供給された周囲空気を受け入れるための空気取入口、及び燃料電池スタックによって生成された排気空気及び排気水蒸気を排出するための排気口を含む。開示された方法及びシステムのその他の目的及び利点は、下記の説明、添付図面、及び添付の特許請求の範囲から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】無人水上ビークル用の開示された電力システムの例示的な概略ブロック図である。電力システムは、燃料電池及び燃料貯蔵部を含む。
【図2A-2B】燃料電池の燃料電池スタック、空気シュノーケルサブシステムを有する空気管理システム、制御システム、並びに燃料及び熱管理システムを含む、図１に示す電力システムの詳細な概略ブロック図である。
【図3A-3B】摂取水をパージする空気シュノーケルサブシステムを示す。
【図5A-5B】冷温時に燃料電池スタックを予熱する空気シュノーケルサブシステムである。
【図7A-7B】燃料電池スタックに酸素を供給する空気シュノーケルサブシステムを示す。
【図9A-9B】燃料からの水をパージする空気シュノーケルサブシステムを示す。
【図11A-11B】熱除去モードで作動する空気シュノーケルサブシステムを示す。
【図13A-13B】燃料貯蔵部内に貯蔵された水素燃料を予熱する燃料及び熱管理システムを示す。
【図15A-15B】金属水素化物燃料の水素生成に触媒作用を及ぼすために、燃料電池スタックによって生成された廃熱を用いる燃料及び熱管理システムを示す。
【図17A-17B】燃料電池スタックから廃熱を除去する燃料及び熱管理システムを示す。
【発明を実施するための形態】
【0008】
図１は、無人水上ビークル１２用の開示された電力システム１０の例示的な概略ブロック図である。電力システム１０は、燃料電池２０、バッテリ２２、電力調整器２４、エネルギー管理制御システム２６、燃料及び熱管理システム２８、空気管理システム３０、水蒸気管理システム３２、並びに燃料貯蔵部３４を含む。例示の実施例では、複数の燃料貯蔵モジュール４０が、燃料電池２０の燃料入口４２に流体接続されている。燃料貯蔵部３４は、諸要素を取り除いたり、電力システム１０内に含まれるエンクロージャを開く必要なく、電力システム１０の燃料補給に対応する。燃料貯蔵部３４は、燃料電池２０のためのエネルギー源であり、特に長期任務の間、電力システム１０が無人水上ビークル１２を作動させるのに必要なエネルギーを供給することを可能にする。一実施例では、長期間の任務は、最大１年に及ぶ。
【0009】
記載された実施例では、燃料貯蔵部３４は、計量可能な金属水素化物燃料貯蔵部基板である。しかしながら、代替的な実施例では、燃料貯蔵部３４は、気体水素、極低温液体水素、或いは、プロパン、メタノール、及びプロパノールなどのその他の水素高密ガス及び液体燃料を含む。事実上、燃料貯蔵部３４は、メタノール、プロパノール、及びプロパンなど、分子量で高い割合の水素を有する任意の水素含有分子を含み得る。しかしながら、以下に記載され、図１３Ａ及び図１３Ｂに示す、燃料貯蔵部基板を加熱することは、金属水素化物燃料にのみ適用可能である。燃料電池２０は、無人水上ビークル１２を作動させるのに必要なエネルギーを生成する。燃料電池２０は、エネルギー以外に、副生成物として水蒸気及び熱も生成する。したがって、燃料電池２０は、副生成物を除去するための熱出口４８及び排気出口５０を含む。図１に示すように、排気出口５０及び熱出口４８は、両方とも燃料及び熱管理システム２８に流体接続されている。燃料電池２０は、排気出口５０を通して、排気ガスを燃料及び熱管理システム２８に送る。同様に、燃料電池２０は、熱出口４８を通して、熱を燃料及び熱管理システム２８に送る。燃料及び熱管理システム２８は、排気を空気に放散し、熱を無人水上ビークル１２を囲む水（図示せず）に直接放散する。例えば、無人水上ビークル１２は、熱を周囲の海水中に放散し、水蒸気及び加熱空気を周囲の空気中に放散し得る。
【0010】
燃料電池２０は、バッテリ２２に接続された電力出力５４を含む。バッテリ２２は、燃料電池２０の電力出力５４によって供給されたエネルギーによって再充電される。バッテリ２２は、複数回、充電及び放電され得る再充電可能なバッテリである。バッテリ２２は、エネルギー管理制御システム２６及び電力調整器２４にも接続される。電力調整器２４は、直流をある電圧レベルから別の電圧レベルに変換するＤＣ－ＤＣ変換器である。
【0011】
空気管理システム３０は、空気入口６０を通して、空気を燃料電池２０に供給する。燃料電池２０は、排気出口５０で水蒸気管理システム３２に流体接続される。水は、燃料電池２０から排出され、排気出口５０を通り、水蒸気管理システム３２に至る。水蒸気管理システム３２は、燃料電池２０の水バランス係数（ｗａｔｅｒ ｂａｌａｎｃｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を改善するために空気管理システム３０を利用する。空気管理システム３０のより詳細な図は、図２Ａ及び図２Ｂに示される。これより図１及び図２の両方を参照すると、空気管理システム３０は、空気取入口７０、及び空気シュノーケル７６の一部である排気口７２を含む。空気取入口７０は、周囲空気を受け入れ、排気口は、燃料電池２０によって生成された空気及び排気水を排出する。図２Ａ及び図２Ｂで示すように、空気管理システム３０は、燃料電池２０の一部である燃料電池スタック８０に空気を供給する。特に、空気取入口７０は、燃料電池スタック８０に供給される空気を受け入れ、燃料電池スタック８０によって生成された排気空気及び排気水蒸気は、排気口７２を通して、電力システム１０（図１）から排出される。図２Ａ及び図２Ｂは、エネルギー管理制御システム２６、並びに燃料及び熱管理システム２８をさらに示す。
【0012】
引き続き図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、エネルギー管理制御システム２６は、複数の環境条件センサをモニタリングする。図示の実施例では、環境条件センサは、海況を示す波センサ８２、風速を示す風センサ８４、降水を示す雨センサ８６、周囲空気湿度を示す周囲湿度センサ８８、及び周囲空気圧力を示す圧力センサ９０を含む。一実施例では、海況には、限定しないが、波の高さ、波の周期、及び波の方向、並びに瞬間プラットフォーム姿勢角（ロール、ピッチ、及び／又はヨー）などのパラメータが含まれ得る。エネルギー管理制御システム２６は、センサ８２、８４、８６、８８、９０をモニタリングし、海況及び天候条件に基づいて、電力システム１０の動作を継続又は停止する判断を行う。例えば、エネルギー管理制御システム２６は、空気シュノーケル７６が海水によって洗浄され過ぎないことを確実にするために、海況をモニタリングする。エネルギー管理制御システム２６は、過剰な瞬間的波条件を示し得る極角状態に対して瞬間的プラットフォームもモニタリングする。一実施例では、空気シュノーケルの一次取込弁１０４及び排気口１０６は、一時的に閉じられ、無人水上ビークル１２が波によって洗浄され過ぎる瞬間が稀にあるときに、水の侵入が実質的に防止される。図２Ａ及び図２Ｂに示す実施例では、空気シュノーケル７６は、空気シュノーケル７６にわたって空気を搬送するための導管１０１を含む。具体的には、周囲空気は、空気取入口７０を通して導管１０１に入り、空気及び水は、排気口７２を通して、導管１０１から出る。
【0013】
センサ８２、８４、８６、８８、９０は、それぞれ制御モジュール９２と通じている。制御モジュール９２は、海況を示す入力信号を波センサ８２から、風速を示す入力信号を風センサ８４から、降水を示す入力信号を雨センサ８６から、空気湿度を示す入力信号を周囲湿度センサ８８から、且つ空気圧力を示す入力信号を圧力センサ９０から受信する。制御モジュール９２は、システムオンチップなどにおける、コードを実行するハードウェア又はソフトウェアを含む、特殊用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、電子回路、組合せ論理回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ（共有、専用、又はグループ）、或いは以上の一部又は全ての組み合わせのことを表すか、又はその一部であってもよい。制御モジュール９２は、海況及び天候条件のためにセンサ８２、８４、８６、８８、９０をモニタリングする。
【0014】
海況及び天候条件をモニタリングすることに加えて、制御モジュール９２は、さらに空気シュノーケル７６、並びに燃料及び熱管理システム２８をモニタリングし、制御する。制御モジュール９２は、弁制御部９４、ポンプ制御部９６、送風機制御部９８、ヒーター制御部１００、及び空気シュノーケル７６の空気シュノーケルセンサ１０２と通じているか、又はこれらを含む。制御モジュール９２は、弁制御部９４に信号を送信し、空気シュノーケル７６の一部である複数の弁を制御する。特に、空気シュノーケル７６は、空気取入口７０に流体接続された空気シュノーケルの一次取込弁（第１の空気弁）１０４、排気口７２に流体接続された排気弁（第２の空気弁）１０６、再循環弁１０８、空気弁１１０、１１２、水弁１１４、１１６、及び二方向弁１１８、１２０を含む。これらの二方向弁１１８、１２０は、「３ポート弁」１１８、１２０、並びに「２方向分流弁」１１８、１２０と呼ばれるときがある。水弁１１４、１１６は、それぞれの水だめ１１３、１１５に配置される。水だめ１１３、１１５は、それぞれ、空気取入口７０及び排気口７２を通して、導管１０１に入る水を集める。再循環弁１０８は、導管１０１に沿って配置された可変流量弁であり、空気取入口７０に入る周囲空気を排気口７２から排出される空気と混合するためのものである。再循環弁１０８は、全開位置、全閉位置、及び全開位置と全閉位置との間の複数の可変位置を含む。
【0015】
図２Ａ及び図２Ｂで見るように、二方向弁１１８、１２０は、空気シュノーケル７６を燃料電池スタック８０に流体連通する。特に、二方向弁１２０は、空気シュノーケル７６を入口導管１２３に、燃料電池スタック８０に流体連通する。図１の燃料電池２０の排気出口５０に対応する入口導管１２３は、燃料電池スタック８０によって生成された水蒸気及び排気が空気シュノーケル７６に入ることを可能にする通路である。二方向弁１１８は、出口導管１２１に流体接続する。図１の空気入口６０に対応する出口導管１２１は、流入又は周囲空気が燃料電池スタック８０内に入る通路をつくる。空気シュノーケル７６は、無人水上ビークル１２（図１）が水域面に配備されている間、燃料電池２０を作動させるために空気を供給するデバイスである。
【0016】
ポンプ制御部９６は、空気シュノーケル７６の一部である様々なポンプの制御のためのものである。図２Ａから図２Ｂで示す実施例では、空気シュノーケル７６は、導管１０１によって水弁１１４、１１６に流体接続された水ポンプ１２２を含む。水弁１１４、１１６が開き、水ポンプ１２２が起動されると、水だめ１１３、１１５内に集められた水がパージされ、海水に排水される。空気シュノーケル７６は、凝縮器１３０に流体接続された水ポンプ１２４をさらに含む。以下で説明するように、凝縮器１３０は、導管１０１を通って移動する空気によって運ばれた任意の水蒸気を凝縮し、水ポンプ１２４は、空気シュノーケル７６から凝縮器１３０によって集められた凝縮水をパージし、海水に戻す。
【0017】
送風機制御部９８は、送風機１３２をモニタリングし、制御するために使用される。送風機１３２は、起動時に導管１０１にわたって強制空気を循環させる。送風機１３２は、凝縮器１３０の上流に位置する。送風機制御部９８は、空気流センサ１２８をモニタリングし、目標空気流量を達成するために送風機１３２の速度を調節する。ヒーター制御部１００は、ヒーター１３４をモニタリング且つ制御する。ヒーター１３４は、凝縮器１３０の上流に位置し、送風機１３２の下流に位置する。ヒーター１３４は、送風機１３２によって循環させられた強制空気の温度を上昇させる。図示の例示的な実施例では、ヒーター１３４は、空気を加熱するために導管１０１内に位置する加熱要素１３８を含む。しかしながら、導管１０１内で空気を加熱する他の種類の加熱要素も同様に使用してよい。凝縮器制御部１０５は、凝縮器１３０を制御するために湿度センサをモニタリングし、燃料電池水パージサイクルのために空気から水蒸気を除去する。
【0018】
最後に、空気シュノーケルセンサ制御部１０２は、空気シュノーケル７６の空気導管１０１内に位置する様々なセンサをモニタリング且つ制御するためのものである。図２Ａ及び図２Ｂに示す実施例では、空気シュノーケル７６は、空気取入口７０の下流の温度センサ１４０、排気口７２の下流の温度センサ１４２、水だめ１１３をモニタリングするための水センサ１４４、及び水だめ１１５をモニタリングするための水センサ１４６を含む。空気シュノーケル７６は、塩フィルター１５２及び微粒子フィルター１５４をさらに含み、両方とも送風機１３２の上流にある。塩フィルター１５２は、塩を取り除き、微粒子フィルター１５４は、導管１０１を通って移動する空気から汚染物を除去する。
【0019】
以下でより詳細に説明されるように、空気シュノーケル７６は、燃料電池スタック８０内に海水及び雨水が侵入することを実質的に防ぐ。空気シュノーケル７６は、極寒条件下で始まる電力システム１０（図１）に基づいて、燃料電池スタック８０のための予熱機能をさらに提供する。一実施例では、極寒条件は、約５℃以下の周囲温度を含む。空気シュノーケル７６は、さらに酸素（Ｏ２）を燃料電池スタック８０に供給する。空気シュノーケル７６は、防除氷機能を提供する。特に、非使用時に燃料電池スタック８０が寒条件を経験することに応答して、燃料電池スタック８０は水蒸気が取り除かれ、それにより、燃料電池スタック８０内の氷形成が実質的に防止される。最後に、空気シュノーケル７６は、燃料電池スタック８０の動作によって生成された廃熱も除去する。
【0020】
続けて図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、制御モジュール９２は、弁制御部１６０、ポンプ制御部１６２、燃料ヒーター制御部１６４、並びに燃料及び熱管理システム２８の燃料及び熱センサ制御部１６６と通じている。弁制御部１６０は、燃料及び熱管理システム２８の一部である複数の弁をモニタリング且つ制御するためのものである。図２Ａ及び図２Ｂに示す実施例では、燃料及び熱管理システム２８は、流量弁１６８、圧力調整器１７０、及び燃料搬送用の導管１７２を含む。導管１７２は、燃料貯蔵部３４を燃料電池スタック８０に流体接続し、流量弁１６８及び圧力調整器１７０の両方が、導管１７２に沿って配置される。
【0021】
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、熱交換器１８０は、燃料電池スタック８０に熱的に連通しており、作動中に燃料電池スタック８０によって生成された廃熱を除去するためのものである。熱交換器１８０の１次液体ポンプ１７６（液体ポンプ１７６とも呼ばれる）は、燃料電池スタック８０と熱交換器１８０との間の１次回路１７７を流れる冷却剤を循環させる。熱交換器１８０の２次ポンプ１８８は、燃料貯蔵部３４と熱交換器１８０との間の２次回路１８９内で冷却剤を循環させる。２次ポンプ１８８は、熱交換器１８０と燃料貯蔵部３４との間で冷却剤の流れを変動させる可変変異ポンプである。燃料及び熱管理システム２８は、熱交換器１８０に流体接続された３方向弁１８２、及び燃料貯蔵部３４に流体接続された３方向弁１８６を含む。温度センサ１９８は、燃料貯蔵部３４と熱交換器１８０との間で流れる冷却剤の温度をモニタリングする。さらに液体弁１９０が分流導管１９２内に配置される。冷却剤が分流導管１９２を通って流れるように、弁１９０が開かれる。冷却剤は、次いで、水冷熱交換器１９５によって冷却される。水冷熱交換器１９５は、無人水上ビークル１２（図１）が配備されている水域によって冷却される。例えば、水冷熱交換器は、海水によって冷却されてもよい。
【0022】
燃料ヒーター制御部１６４は、ヒーター２０２をモニタリング且つ制御するためのものである。ヒーター２０２は、燃料貯蔵部３４と熱的に連通しており、燃料貯蔵部３４内に含まれる燃料を加熱する。最後に、センサ制御部１６６は、燃料及び熱管理システム２８の様々なセンサをモニタリング且つ制御するためのものである。特に、燃料及び熱管理システム２８は、燃料貯蔵部３４をモニタリングするための圧力センサ２０６及び温度センサ２０８を含む。燃料及び熱管理システム２８は、燃料電池スタック８０の温度をモニタリングする温度センサ２１０、及び熱交換器１８０の温度をモニタリングする温度センサ２１２をさらに含む。
【0023】
以下でより詳細に説明されているように、燃料及び熱管理システム２８は、導管１７２を通して、燃料（Ｈ２）を燃料電池スタック８０に供給する。燃料貯蔵部３４が金属水素化物を貯蔵した場合、燃料電池スタック８０によって生成された廃熱が、水素の生成に触媒効果を及ぼすために使用される。燃料及び熱管理システム２８は、さらに燃料電池スタック８０から反応廃熱も実質的になくし、冷却をもたらす。
【0024】
図３Ａ及び図３Ｂは、空気導管１０１の水だめ１１３、１１５内にある任意の水を除去するための水パージモードで作動する空気シュノーケル７６を示す。図示の実施例では、「Ｏ」は、弁が開いていることを示し、「Ｘ」は、特定の弁が閉じたことを示す。図面で見るように、空気シュノーケル７６の導管１０１は、空気取入口７０に直接隣接する２つの屈曲部２２０、２２２を画定する屈曲部である。屈曲部２２０、２２２は、それぞれ反対方向に屈曲する。図示の実施例では、両方の屈曲部２２０、２２２が、実質的に９０度の角度で屈曲する。導管１０１は、さらに排気口７２に直接隣接する２つの屈曲部２２４、２２６を画定するために屈曲する。屈曲部２２４、２２６は、さらにそれぞれ反対方向に、実質的に９０度で屈曲する。空気取入口７０及び排気口７２における導管１０１の屈曲構成は、第１及び第２の空気弁１０４、１０６が開いているとき、空気シュノーケル７６内への雨及び海水の噴射の侵入を実質的に防ぐ。図３Ａ及び図３Ｂは、屈曲を示すが、水の侵入を実質的に防ぐために、例えば、概してＵ形状屈曲（すなわち、２つの相対的に直線状の側部を有する弧状部分）などの他の構成及び形状が同様に使用されてもよい。
【0025】
導管１０１は海水の侵入を実質的に防ぐために屈曲構成を有するが、高波状態では、空気シュノーケル７６が海水を摂取する可能性が依然としてある。制御モジュール９２は、それぞれの水だめ１１３、１１５内に水又はその他の液体があるかどうかを判断するために、水センサ１４４、１４６をモニタリングする。水だめ１１３、１１５内に水又は他の液体があると判断したことに応答して、制御モジュール９２は、空気シュノーケル７６を水パージモードにする。水パージモードでは、水だめ１１３、１１５内に集められた水がパージされる。
【0026】
空気取入口弁１０４及び空気取入口７０の下流に位置する空気弁１１０は、防水空気弁であり、弁制御部９４によって閉位置に置かれ、それにより、空気パージモードの間、導管１０１の主回路１７８内に水が侵入することを実質的に防ぐ。特に、空気弁１１０は、空気取入口弁１０４を通過し、導管１０１の主枝２３２の入口側２３０を下る水の侵入を実質的に防ぐ。同様に、排気弁１０６及び排気口７２の上流に位置する空気弁１１２は、さらに閉位置に置かれた防水空気弁であり、水パージモードの間、導管１０１の主回路１７８内に水が侵入することを実質的に防ぐ。特に、空気弁１１２は、排気弁１０６を通過し、導管１０１の主枝２３２の排気側２３４を下方移動する水の侵入を実質的に防ぐ。３ポート弁１１８は、２方向分流弁であり、３ポート弁１１８の各ポート２４０Ａ、２４０Ｂ、２４０Ｃは閉じている。同様に、３ポート弁１２０も２方向分流弁であり、各ポート２４２Ａ、２４２Ｂ、２４２Ｃも閉じている。最後に、水弁１１４、１１６に接続された水ポンプ１２２は、ポンプ制御部９６によって起動され、水だめ１１３、１１５内に集められた水をパージする。
【0027】
図３Ａ及び図３Ｂに見るように、導管１０１は、水を集めるための両方の水だめ１１３、１１５を画定する。水ポンプ１２２は、両方の水だめ１１３、１１５に流体接続されている。水パージモードの間、弁制御部９４は、空気シュノーケル７６を燃料電池スタック８０に接続する両方の３ポート弁１１８、１２０を閉じる。空気取入口弁１０４及び排気空気弁１０６を開き、それから水ポンプ１２２を起動させることによって、水だめ１１３、１１５内に集められた水が除去される。水ポンプ１２２は、空気シュノーケル７６の導管１０１内に吸引力をつくる。この吸引力により、周囲空気が空気取入口７０と排気口７２との両方に引き込まれる。
【0028】
これより水パージ操作を説明する。図４は、空気シュノーケル７６の主導管１０１の水だめ１１３、１１５内に集められた水をパージする方法４００を示す処理フロー図である。これより図３及び図４の両方を参照すると、方法４００は、ブロック４０２で開始する。ブロック４０２では、空気取入口７０に直接隣接する空気取入口弁１０４、及び排気口７２に隣接する弁１０６が両方とも開かれる。一旦弁１０４、１０６が開かれると、方法４００は、ブロック４０４に進む。ブロック４０４では、水ポンプ１２２が起動される。方法４００は、次いで、判断ブロック４０６に進む。ブロック４０６では、水だめ内に水がもはや検出されなくなるまで、制御モジュール９２は、水センサ１４４、１４６を継続的にモニタリングする。水だめ１１３、１１５内に水がもはや検出されなくなると、方法４００は、ブロック４０８に進む。ブロック４０８では、水ポンプ１２２が停止される。方法は、次いで、ブロック４１０に進む。ブロック４１０では、空気取入口７０に直接隣接する空気取入口弁１０４、及び排気口７２に隣接する排気空気弁１０６が両方とも閉じられる。次いで、方法４００は終了する。
【0029】
図５Ａ及び図５Ｂは、燃料電池スタック８０を閾値温度に予熱する空気シュノーケル７６を示す。一実施例では、閾値温度は、約５℃以下である。空気シュノーケル７６は、空気弁１０４、１０６を閉じ、再循環弁１０８を開き、空気弁１１０、１１２を開き、水弁１１４、１１６を閉じ、送風機１３２及びヒーター１３４の両方を起動することにより、燃料電池スタック８０を余熱する。さらに、出口導管１２１に位置する２方向分流弁１１８のポート２４０Ａ、及び空気弁１１２の上流に位置するポート２４０Ｂが開かれ、残りのポート２４０Ｃが閉位置にある。同様に、入口導管１２３に位置する２方向分流弁１２０のポート２４２Ａ、及び凝縮器１３０の下流に位置するポート２４２Ｂが両方とも開位置にあり、残りのポート２４２Ｃが閉位置にある。
【0030】
送風機１３２を起動して、導管１０１にわたって強制空気を循環させ、さらにヒーター１３４を起動して、送風機１３２によって循環させられた強制空気の温度を上昇させる。導管１０１は、図１の燃料電池２０の空気入口６０に対応する入口導管１２３、及び図１に示す排気出口５０に対応する出口導管１２１によって、燃料電池スタック８０に流体接続する。したがって、強制空気は、空気入口６０を通って、導管１０１から燃料電池スタック８０へと移動する（図１）。強制空気は、燃料電池スタック８０を暖気温度まで暖める。暖気温度は、燃料電池スタック８０の最小開始温度を示す。
【0031】
図６は、燃料電池の温度が、作動する際に最小閾値より低い場合、燃料電池を起動させる前に燃料電池スタック８０を余熱する方法６００を示す処理フロー図である。一実施例では、以上で説明され、図３及び図４の両方で示すように、方法６００は、水パージの後に行われる。これより図５及び図６の両方を参照すると、方法６００は、判断ブロック６０２で開始する。判断ブロック６０２では、制御モジュール９２は、温度センサ２１０をチェックして、燃料電池スタック８０が、閾値温度まで低下したか否か、又は、閾値温度より低いか否かを判断する。燃料電池スタック８０の温度が閾値温度を越えたことに応答して、方法６００は終了する。燃料電池スタック８０の温度が閾値温度と等しくなるか又はそれより低下することに応答して、方法６００は、ブロック６０４に進む。ブロック６０４では、空気取入口７０に直接隣接する空気取入口弁１０４、及び排気口７２に直接隣接する排気空気弁１０６が両方とも閉じられる。方法６００は、次いで、ブロック６０６に進む。ブロック６０６では、再循環弁１０８が開かれる。方法６００は、次いで、ブロック６０８に進む。ブロック６０８では、空気シュノーケル７６の導管１０１にわたって強制空気を再循環させるために、送風機１３２が起動される。方法は、次いで、ブロック６１０に進む。ブロック６１０では、熱を生成するためにヒーター１３４が起動される。それにより、空気シュノーケル７６の導管１０１及び燃料電池スタック８０の内部で再循環する強制空気の温度を上昇させる。方法は、次いで、判断ブロック６１２に進む。判断ブロック６１２では、燃料電池スタック８０の温度が、暖気温度と等しくなるか、又はそれを越えるまで、制御モジュール９２は、温度センサ２１０を継続的にモニタリングする。一旦、燃料電池スタック８０が、暖気温度と等しくなるか、又はそれを越えると、方法６００は終了する。
【0032】
図７Ａ及び７Ｂは、燃料電池スタック８０に酸素含有空気を供給する空気シュノーケル７６を示す。空気シュノーケル７６は、通常、燃料電池スタック８０が、作動中にすべての酸素が消費されない比較的低い出力レベルで作動するときに、酸素含有空気を燃料電池スタック８０に供給する。空気シュノーケル７６は、塩フィルター１５２及び微粒子フィルター１５４の両方によってフィルタリングされた空気を燃料電池スタック８０に供給する。図７Ａ及び図７Ｂで見るように、弁制御部９４は、空気弁１０４、１０６を開位置に開き、再循環弁１０８を閉位置に閉じ、空気弁１１０、１１２を開位置に開き、水弁１１４、１１６を閉位置に閉じる。出口導管１２１に位置する２方向分流弁１１８Ａのポート２４０Ａ、及び空気弁１１２の上流に位置するポート２４０Ｂが開かれ、残りのポート２４０Ｃが閉位置にある。同様に、入口導管１２３に位置する２方向分流弁１２０のポート２４２Ａ、及び凝縮器１３０の下流に位置するポート２４２Ｂが両方とも開位置にあり、残りのポート２４２Ｃが閉位置にある。
【0033】
送風機１３２は、起動されて、空気シュノーケル７６の導管１０１にわたって酸素含有空気が再循環され、燃料電池スタック８０に送られる。制御モジュール９２は、空気取入口７０に隣接して位置する温度センサ１４０をモニタリングする。温度センサ１４０は、燃料電池スタック８０に供給される周囲空気の温度を示す。制御モジュール９２は、さらに温度センサ１４２をモニタリングする。温度センサ１４２は、排気空気の温度を示す。制御モジュール９２は、周囲空気の温度を目標燃料電池作動温度（ｔａｒｇｅｔ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）と比較する。目標燃料電池作動温度とは、燃料電池２０が機能する目標温度である。
【0034】
制御モジュール９２は、周囲温度が、目標燃料電池作動条件を越えるか、等しいか、又はそれより低いかのうちのいずれであるかを判断する。周囲温度が目標燃料電池作動条件と等しいか、又はそれより低いと制御モジュール９２が判断したことに応答して、制御モジュール９２は、次いで、温度センサ１４２によって排気空気の温度をモニタリングする。制御モジュール９２は、排気空気の温度を混合温度と比較する。混合温度とは、取り入れた空気の温度を燃料電池作動温度まで上昇させるために、空気取入口７０からの周囲空気と混合するのに十分な排気温度を示す。排気温度が混合温度と等しいか、又はそれより高いと制御モジュール９２が判断したことに応答して、制御モジュール９２は、弁制御部９４に信号を送り、再循環弁１０８を開く。再循環弁１０８は、排気を周囲空気と混合し、取り入れた空気の温度を目標燃料電池作動温度まで上昇させるために開かれる。特に、再循環弁１０８は、周囲空気の温度に基づいて、全開位置又は複数の可変位置のうちの１つの位置のいずれかに開かれ、周囲空気を排気口７２が排出した空気と混合させて、周囲空気の温度を目標燃料電池作動温度に上昇させる。制御モジュール９２は、温度センサ１４０を継続的にモニタリングし、周囲空気が目標燃料電池作動条件の温度と等しくなるまで、周囲空気の温度に基づいて弁位置を調節する。
【0035】
代替的な実施例では、再循環弁１０８を開く代わりに、ヒーター１３４が起動させられる。ヒーター１３４の起動によっても、燃料電池スタック８０に入る空気の温度が上昇する。特に、排気空気の温度が混合温度より低いと制御モジュール９２が判断したことに応答して、制御モジュール９２は、ヒーター１３４を起動するべきことを示す信号をヒーター制御部１００に信号を送る。
【0036】
図８は、酸素含有空気を燃料電池スタック８０に供給するための方法８００を示す処理フロー図である。一実施例では、方法８００は、以上で説明され、図３及び図４の両方で示す水パージの後に行われる。これより図７及び図８の両方を参照すると、方法８００は、ブロック８０２で開始する。ブロック８０２では、空気取入口弁１０４及び排気弁１０６の両方が開かれる。方法８００は、次いで、ブロック８０４に進む。ブロック８０４では、空気シュノーケル７６の導管１０１にわたって酸素含有空気を再循環させるために、送風機制御部９８によって送風機９８が起動される。方法８００は、次いで、判断ブロック８０６に進む。判断ブロック８０６では、制御モジュール９２は、温度センサ１４０によって、空気取入口７０における空気温度をモニタリングし、温度センサ１４２によって、排気口７２における空気温度をモニタリングする。空気取入口７０に入る周囲空気が目標燃料電池作動温度と等しいか、又はそれより高いことを温度センサ１４０が示したことに応答して、方法８００は終了する。
【0037】
取入口に入る周囲空気が目標燃料電池作動温度より低いことを温度センサ１４０が示したことに応答して、方法８００は、次いで、ブロック８０８に進む。ブロック８１０では、制御モジュール９２は、周囲空気を目標燃料電池作動温度加熱するために再循環弁１０８を起動させるか、又は、導管１０１内で流れる空気を目標燃料電池作動温度まで暖めるためにヒーター１３４を起動させるかのいずれかを行う。上述のように、制御モジュール９２は、排気ガスの温度が混合温度以上である場合のみ、再循環弁１０８を開き、さもなければヒーター１３４を起動させる。方法８００は、次いで、終了する。
【0038】
図９Ａ及び図９Ｂは、燃料電池スタック８０が動作していないときに、燃料電池スタック８０から湿気をパージする空気シュノーケル７６を示す。燃料電池スタック８０からの湿気をパージすることにより、燃料電池スタック８０が、水の氷点以下の温度を経験する際に、氷の形成が実質的に防止される。図９Ａ及び図９Ｂに見るように、弁制御部９４は、空気弁１０４、１０６を閉じ、再循環弁１０８を開き、空気弁１１０、１１２を開き、水弁１１４、１１６を閉じる。出口導管１２１に位置する２方向分流弁１１８のポート２４０Ａ、及び空気弁１１２の上流に位置するポート２４０Ｂが両方とも開かれ、残りのポート２４０Ｃが閉位置にある。同様に、入口導管１２３に位置する２方向分流弁１２０のポート２４２Ａ、及び凝縮器１３０の下流に位置するポート２４２Ｂが両方とも開位置にあり、残りのポート２４２Ｃが閉位置にある。送風機制御部９８は、送風機１３２を起動させて、空気シュノーケル７６の導管１０１にわたって空気を再循環させる。制御モジュール９２は、さらに凝縮器１３０を起動させて、導管１０１を通って移動する空気が含む水蒸気を凝縮する。水ポンプ１２４は、凝縮器１３０に流体接続される。それにより、水ポンプ１２４の起動時に、凝縮した水が水ポンプ１２４を通って流れ、海水に排水される。
【0039】
図９Ａ及び図９Ｂに示す実施例では、空気シュノーケル７６は、湿度センサ２６０も含む。湿度センサ２６０は、空気弁１１２の上流、且つ出口導管１２１と通じている二方向弁１１８の下流の位置で、導管１０１内で位置付けされる。湿度センサ２６０が含まれる場合、排気空気に加えられる水蒸気の量の示度は、湿度センサ１０７によって検出された空気の湿度を比較することによって判断することができる。湿度センサ２６０が含まれない場合、湿度を判断するため、代わりに湿度センサ１０７がモニタリングされる。湿度センサ２６０は、制御モジュール９２とも通じている。制御モジュール９２は、湿度センサ１０７、２６０をモニタリングし、湿度を判断する。特に、湿度の示度がごくわずかの量を下回らない限り、制御モジュール９２は、燃料電池スタック８０内の湿気の存在を判断する。図１０に示す処理フロー図は、燃料電池スタック８０の湿気をパージする方法を示す。
【0040】
燃料電池スタック８０から湿気を取り除くプロセスがこれより説明される。図１０は、水又は湿気のパージの方法１０００を示す処理フロー図である。これより図９及び図１０の両方を参照すると、方法１０００は、ブロック１００２で開始する。ブロック１００２では、弁制御部９４は、空気取入口７０に直接隣接する第１の空気弁１０４、及び排気口７２に隣接する弁１０６を閉じる。一旦、弁１０４、１０６が閉じると、方法１０００は、ブロック１００４に進む。ブロック１００４では、再循環弁１０８が開位置に置かれる。方法１０００は、次いで、ブロック１００６に進む。ブロック１００６では、送風機１３２が起動されて、導管１０１内で空気が再循環させられる。方法１０００は、次いで、判断ブロック１００８に進む。判断ブロック１００８では、制御モジュール９２は、湿度センサ２６０をモニタリングし、燃料電池スタック８０内の湿気の存在を判断する。燃料電池スタック８０が湿気を実質的な量含まないと制御モジュール９２が判断したことに応答して、方法１０００は終了し得る。
【0041】
燃料電池スタック８０が湿気を含むと制御モジュール９２が判断したことに応答して、方法１０００は、判断ブロック１０１０に進む。ブロック１０１０では、制御モジュール９２は、周囲湿度センサ８８をモニタリングして、周囲空気湿度を判断する。周囲空気湿度が、燃料電池スタック８０内の湿気の存在を示す閾値相対湿度を越えたと制御モジュール９２が判断したことに応答して、方法１０００は、ブロック１０１２に進む。ブロック１０１２では、凝縮器１３０が起動される。方法１０００は、次いで、判断ブロック１０１４に進む。ブロック１０１４では、制御モジュール９２は、燃料電池スタック８０が実質的に湿気がなくなるまで、湿度センサ２６０を継続的にモニタリングし、方法１０００は終了し得る。
【0042】
方法１０００に対する代替的アプローチとして、周囲空気湿度が閾値相対湿度と等しくなるか、又はそれより低くなるかに応答して、方法１０００は、ブロック１０１６に進む。ブロック１０１６では、空気シュノーケル７６は、送風機１３２を用いて周囲空気を導管１０１にわたって循環させて、周囲空気を燃料電池スタック８０に供給する。これは、空気弁１０４、１０６の両方を開けることによって達成される。周囲空気は、次いで、所定の時間（例えば、約５分間）、空気シュノーケル７６及び燃料電池スタック８０にわたって循環し得る。方法１０００は、次いで、判断ブロック１０１８に進み得る。判断ブロック１０１８では、空気弁１０４、１０６が閉じられ、制御モジュール９２は、湿度センサ２６０をモニタリングし、湿気の存在を判断する。制御モジュール９２が湿気の存在を判断したことに応答して、方法１０００は、判断ブロック１０１６に戻る。しかしながら、燃料電池スタック８０が水を実質的に含まないと、制御モジュール９２が判断したことに応答して、方法１０００は、次に終了し得る。
【0043】
図１１Ａ及び１１Ｂは、熱除去モードで作動する空気シュノーケル７６を示す。熱除去モードの間、エネルギー管理制御システム２６の熱交換器１８０を通して冷却剤を循環させる必要なく、作動中に燃料電池スタック８０によって生成された廃熱が除去される。その代わりに、以下で説明するように、燃料電池スタック８０にわたる空気流量が増大する。特に、送風機１３２が起動して、燃料電池スタック８０にわたる空気流量が増大し、これにより燃料電池スタック８０に冷却がもたらされる。特に、燃料電池スタック８０は、目標スタック温度まで冷却される。目標スタック温度は、所与の電力出力設定に基づいた目標作動点を表す。
【0044】
燃料電池スタック８０の冷却に必要とされる空気流は、取入口の隣に位置する温度センサ１４０によってモニタリングされた周囲温度、及び燃料電池２０の電力出力設定（図１）に基づく。液体ポンプ１７６を起動させて、エネルギー管理制御システム２６の熱交換器１８０を通して冷却剤を循環させることに比べた場合、流量がより高いと、非常に低い周囲温度が、燃料電池スタック８０の空気に基づいた冷却をより効率良くする。非常に低い周囲温度は、所与の時間での燃料電池の電力出力設定の関数であり、固定した数値ではない。しかしながら、周囲温度の値が上昇するにつれて、何らかの切り替え周囲温度において、熱交換器１８０を通して冷却剤を循環させる方がより効率良くなる。したがって、制御モジュール９２は、送風機１３２によって消費される電力を継続的にモニタリングする。送風機１３２によって消費された電力が、液体ポンプ１７６によって生じされた平均電力よりも大きいと、制御モジュール９２が判断したことに応答して、制御モジュール９２は、液体ポンプ１７６を起動して、燃料電池スタック８０を通して冷却剤を循環させる。
【0045】
熱除去モードの間、弁制御部９４は、空気弁１０４、１０６を開き、再循環弁１０８を閉じ、空気弁１１０、１１２を開き、水弁１１４、１１６を閉じる。出口導管１２１に位置する２方向分流弁１１８のポート２４０Ａ、及び空気弁１１２の上流に位置するポート２４０Ｂが両方とも開かれ、残りのポート２４０Ｃが閉位置にある。同様に、入口導管１２３に位置する２方向分流弁１２０のポート２４２Ａ、及び凝縮器１３０の下流に位置するポート２４２Ｂが両方とも開位置にあり、残りのポート２４２Ｃが閉位置にある。制御モジュール９２は、送風機１３２を起動させて、空気シュノーケル７６の導管１０１にわたって空気を再循環させる。
【0046】
空気に基づく熱除去モードがこれより説明される。このモードは、以上で説明され、図７Ａ及び図７Ｂで示されるように、酸素含有空気を燃料電池スタック８０に供給することと同時に用いられる。図１２は、燃料電池スタック８０を空冷するための方法１２００を示す処理フロー図である。これより図１０及び図１１の両方を参照すると、方法１２００は、ブロック１２０２で開始する。ブロック１２０２では、弁制御部９４は、空気取入口７０に直接隣接する第１の空気弁１０４、及び排気口７２に隣接する弁１０６を開く。再循環弁１０８も閉じられ、空気弁１１０、１１２が開かれ、水弁１１４、１１６が閉じられる。方法１２００は、次いで、ブロック１２０４に進む。ブロック１２０４では、送風機制御部９８は、送風機１３２の速度を、酸素含有空気を燃料電池に供給するのに必要な最小速度を上回る速度に上昇させる。送風機の速度が上昇すると、空気流量が増大し、空気冷却能力が向上する。方法１２００は、次いで、判断ブロック１２０６に進む。判断ブロック１２０６では、制御モジュール９２は、送風機１３２によって消費された電力を継続的にモニタリングし、送風機１３２によって消費された電力を、燃料電池スタック８０を冷却するために熱交換器１８０の液体ポンプ１７６によって消費された電力量と比較する。送風機１３２によって消費された電力が、液体ポンプ１７６によって消費された電力以下であると制御モジュール９２が判断したことに応答して、方法は、ブロック１２０８に進む。ブロック１２０８では、制御モジュール９２は、燃料電池スタック８０を目標スタック温度まで冷却するために、送風機１３２を起動状態に保ち、方法１２００は終了する。
【0047】
液体ポンプ１７６によって消費された電力より送風機１３２が多くの電力を消費すると、制御モジュール９２が判断したことに応答して、方法は、ブロック１２１０に進む。ブロック１２１０では、制御モジュール９２は、送風機１３２の速度を低下させ、所与の燃料電池出力設定に必要とされる空気流量を達成し、液体ポンプ１７６を起動させて、燃料電池スタック８０を目標スタック温度まで冷却する。次いで、方法１２００は終了する。
【0048】
図１３Ａ及び１３Ｂは、気体水素燃料を放出するために、燃料貯蔵部３４内の金属水素化物燃料貯蔵部基板を加熱する燃料及び熱管理システム２８を示す。金属水素化物燃料貯蔵部基板は、目標温度まで加熱され、燃料が燃料電池スタック８０に送られる前に目標気体水素燃料生成率を達成する。特に、金属水素化物燃料貯蔵部基板は、目標の気体水素放散率及び作動圧力を達成するために、目標温度まで加熱される。気体水素放散／消費率は、燃料電池スタック８０の目標電力出力に基づく。
【0049】
気体水素燃料を放出するために金属水素化物燃料貯蔵部基板を加熱する間、制御モジュール９２は、流量弁１６８を閉じて、気体水素燃料が燃料貯蔵部３４から燃料電池スタック８０に流れないように遮断する。制御モジュール９２は、ヒーター２０２を起動させて、燃料貯蔵部基板を目標燃料圧力まで暖める。制御モジュール９２は、圧力センサ２０６をモニタリングして、燃料貯蔵モジュール４０の気体圧力を判断し、温度センサ２０８をモニタリングして、燃料貯蔵モジュール４０の内部温度を判断する。気体圧力が所定の限度に達するか又は所定の限度を越えた、或いは、燃料貯蔵モジュール４０の内部温度が目標温度にあると判断したことに応答して、ヒーター２０２が停止する。制御モジュール９２は、オンオフサイクル又はデューティサイクルに基づいて、ヒーター２０２を起動する。一旦、燃料貯蔵モジュール４０の内部温度が目標温度になると、ヒーター２０２が停止する。図１３Ａ及び１３Ｂは、ヒーター２０２を用いて、金属水素化物燃料貯蔵部基板を加熱することを示しているが、別の実施例では、金属水素化物燃料貯蔵部基板は、燃料電池スタック８０からの反応廃熱によって加熱される。特に、一実施例では、空気排気口（図示せず）が設けられる。この空気排気口は、燃料電池スタック８０からの反応廃熱によって加熱される。加熱された空気は、燃料貯蔵部３４にわたって循環し、燃料に加熱をもたらす。
【0050】
図１４は、気体水素燃料を放出するために、燃料貯蔵部３４内の金属水素化物燃料を加熱するための方法１４００を示す処理フロー図である。これより図１３及び図１４の両方を参照すると、方法１４００は、ブロック１４０２で開始する。ブロック１４０２では、弁制御部１６０は、流量弁１６８を閉じ、燃料貯蔵部３４からの燃料の流れを遮断する。方法１４００は、次いで、ブロック１４０４に進む。ブロック１４０４では、燃料ヒーター制御部１６４は、ヒーター２０２を起動する。方法１４００は、次いで、判断ブロック１４０６に進む。ブロック１４０６では、制御モジュール９２は、圧力センサ２０６及び温度センサ２０８を継続的にモニタリングし、ヒーター２０２は、燃料貯蔵部３４内の燃料貯蔵部基板を継続的に加熱し、気体水素燃料を放出する。気体圧力が所定の限度に達するか又は所定の限度を越えた、或いは、燃料貯蔵モジュール４０の内部温度が目標温度にあると判断したことに応答して、制御モジュール９２は、ヒーター２０２を停止し、方法１４００は終了する。
【0051】
図１５Ａ及び図１５Ｂは、水素生成に触媒作用を及ぼすために、燃料電池スタック８０によって生成された廃熱を用いることを示す。水素生成の間、空気シュノーケル７６は、以上で説明され、図７Ａ及び図７Ｂで示されるように、酸素を燃料電池スタック８０に供給する。弁制御部１６０は、流量弁１６８を開き、水素が燃料電池スタック８０に流れることを可能にする。燃料及び熱センサ制御部１６６は、燃料貯蔵部３４の圧力センサ２０６及び温度センサ２０８をモニタリングする。ポンプ制御部１６２は、燃料電池スタック８０の１次液体ポンプ１７６と燃料電池スタック８０の２次ポンプ１８８との両方を起動する。熱交換器１８０の２次ポンプ１８８は、燃料貯蔵部３４と熱交換器１８０との間の２次回路１８９内で冷却剤を循環させる。熱交換器１８０は、１次回路１７７を通して、燃料電池スタック８０から廃熱を引き出す。燃料電池スタック８０によって生成された廃熱は、熱交換器１８０を通って流れる冷却剤によって伝導され、冷却剤は、燃料貯蔵部３４に循環して、金属水素化物を加熱する。したがって、燃料電池スタック８０によって生成された廃熱は、燃料貯蔵部３４内に貯蔵された金属水素化物の水素生成に触媒作用を及ぼすために用いられる。
【0052】
３方向弁１８６は、燃料貯蔵部３４から熱交換器１８０へと２次回路１８９を通して冷却を搬送するために、３つのポート２８０を含む。１つのポート２８０は、燃料貯蔵部３４の出口１８７に流体接続され、別のポート２８０は、熱交換器１８０の入口１８５に流体接続され、１つのポート２８０は、水冷熱交換器１９５に流体接続される。３方向弁１８２は、燃料貯蔵部１８０から離れるように熱交換器３４へと２次回路１８９内で冷却を搬送するために、３つのポート２８２をさらに含む。ポート２８２のうちの１つは、熱交換器１８０の出口１８４に流体接続され、別のポート２８２は、燃料貯蔵部３４の入口１９１に流体接続され、残りのポート２８２は、水冷熱交換器１９５に接続される。ポンプ制御部１６２は、燃料貯蔵部３４の出口１８７に流体接続されたポート２８０と、熱交換器の入口１８５に流体接続されたポート２８０を開く。さらに、ポンプ制御部１６２は、出口１８４に流体接続されたポート２８２と、３方向弁１８２の燃料貯蔵部３４の入口１９１に流体接続されたポート２８２とを開く。したがって、冷却剤は、２次回路１８９を通って流れ、熱交換器１８０によって吸収された燃料電池スタック８０からの廃熱によって暖められる。冷却剤は、次に燃料貯蔵部３４に搬送されて、その中に貯蔵された燃料を加熱する。
【0053】
続けて図１５Ａ及び図１５Ｂを参照すると、制御モジュール９２は、温度センサ２０８をモニタリングして、燃料貯蔵部３４の内部温度が確実に目標温度に維持されるようにする。弁制御部１６０及びポンプ制御部１６２は、燃料を目標温度に維持するために、燃料貯蔵部３４への冷却剤の流れを調節する。燃料貯蔵部３４への冷却剤の流れを調節するために、３方向弁１８２の３つのポート２８２と３方向弁１８６の３つのポート２８０とが調節される。特に、３方向弁１８２の３つのポート２８２と３方向弁１８６の３つのポート２８０は、熱交換器１８０及び水冷熱交換器１９５を通る冷却剤の量を制御し、燃料を目標温度に維持する。
【0054】
図１６は、水素生成に触媒作用を及ぼすために、燃料電池スタック８０によって生成された廃熱を用いるための方法１６００を示す処理フロー図である。これより図１５及び図１６の両方を参照すると、方法１６００は、ブロック１６０２で開始する。ブロック１６０２では、弁制御部１６０は、流量弁１６８を開く。方法１６００は、次いで、ブロック１６０４に進む。ブロック１６０４では、燃料及び熱センサ制御部１６６は、燃料貯蔵部３４の圧力センサ２０６及び温度センサ２０８をモニタリングする。方法１６００は、次いで、ブロック１６０６に進む。ブロック１６０６では、ポンプ制御部１６２は、燃料電池スタック８０の１次液体ポンプ１７６と燃料電池スタック８０の２次ポンプ１８８との両方を起動する。したがって、熱交換器１８０の２次ポンプ１８８は、燃料貯蔵部３４と熱交換器１８０との間の２次回路１８９内で冷却剤を循環させる。熱交換器１８０は、１次回路１７７を通して、燃料電池スタック８０から廃熱を引き出す。１次回路１７７は、燃料貯蔵部３４内で燃料貯蔵部基板を標気体水素燃料生成率に対応する目標温度まで暖める。方法１６００は、次いで、ブロック１６０８に進む。ブロック１６０８では、制御モジュール９２は、温度センサ２０８をモニタリングして、燃料貯蔵モジュール４０の内部温度が確実に目標温度に維持されるようにする。特に、弁制御部１６０及びポンプ制御部１６２は、３方向弁１８２の２つの開いたポート２８２と、３方向弁１８６の２つの開いたポート２８０を調節して、燃料貯蔵部３４への冷却剤の流れを調節する。方法１６００は、次いで、終了する。
【0055】
図１７Ａ及び１７Ｂは、燃料電池スタック８０から反応廃熱を除去する燃料及び熱管理システム２８を示す。図１５Ａ及び図１５Ｂに示す実施例と同じように、空気シュノーケル７６は、以上で説明され、図７Ａ及び図７Ｂで示されるように、酸素を燃料電池スタック８０に供給する。弁制御部１６０は、流量弁１６８を開き、燃料が燃料電池スタック８０に送られることを可能にする。１次液体ポンプ１７６及び２次ポンプ１８８の両方が起動する。燃料貯蔵部３４の出口１８７に流体接続された３方向弁のポート２８０は閉じられ、熱交換器１８０の入口１８５に流体接続されたポート２８０、及び水冷熱交換器１９５に流体接続されたポート２８０は、冷却剤の流れを１次回路１７７と２次回路１８９との間で分岐又は分割させるために調節される。熱交換器１８０の出口１８４に流体接続された３方向弁１８２のポート２８２、及び水冷熱交換器１９５に流体接続されたポート２８２は、同様に両方とも調節され、燃料貯蔵部３４の入口１９１に流体接続されたポート２８２が閉じられる。特に、３方向弁１８２の２つのポート２８２は、１次回路１７７と２次回路との間で冷却剤の流れを分岐又は分割させるために調節される。冷却剤は、２次回路１８９を通って流れ、冷却されるために水冷熱交換器１９５に流れ込む。言い換えると、燃料電池スタック８０によって生成された反応廃熱は、熱交換器１８０を通して流れる冷却剤によって伝導され、冷却剤は、水冷熱交換器１９５に循環する。水冷熱交換器１９５は、無人水上ビークル１２が配備されている水域によって冷却される。
【0056】
制御モジュール９２は、温度センサ１９８をモニタリングし、２次回路１８９内の冷却剤の温度をモニタリングする。制御モジュール９２は、さらに温度センサ２１０をモニタリングし、燃料電池スタック８０の温度を判断する。１次回路１７７にわたる冷却剤の流れは、液体ポンプ１７６の流量を制御することによって調節され、２次回路１８９内の冷却剤の流れは、ポンプ１８８の流量を制御することによって調節される。特に、１次回路１７７及び２次回路１８９の冷却剤流量は、燃料電池スタック８０を目標スタック温度に維持するために調節される。
【0057】
図１８は、燃料電池スタック８０から反応廃熱を除去するための方法１８００を示す処理フロー図である。これより図１７及び図１８の両方を参照すると、方法１８００は、ブロック１８０２で開始する。ブロック１８０２では、弁制御部１６０は、流量弁１６８を開く。方法１８００は、次いで、ブロック１８０４に進む。ブロック１８０４では、制御モジュール９２は、燃料電池スタック８０の温度センサ２１０をモニタリングする。方法１８００は、次いで、ブロック１８０６に進む。ブロック１８０６では、制御モジュール９２は、１次液体ポンプ１７６及び２次ポンプ１８８の両方を起動する。図１７Ａ及び図１７Ｂで見るように、水冷熱交換器１９５は、２次回路１８９を通って流れる冷却剤から反応廃熱を除去する。方法１８００は、次いで、ブロック１８０８に進む。ブロック１８０８では、制御モジュール９２は、温度センサ２１０をモニタリングして、燃料電池スタック８０が確実に目標スタック温度に維持されるようにする。特に、ポンプ１８８は、燃料電池スタック８０を目標スタック温度で維持するために、水冷熱交換器１９５に流れ込む冷却剤の量を調節する。方法１８００は、次いで、終了する。
【0058】
概して図面を参照すると、本開示の技術効果及び利点は、特に長期任務の間、無人水上ビークルを作動させるのに必要とされる電力を供給する燃料電池を有する電力システムを含む。開示された電力システムは、燃料電池の比較的単純で簡単な燃料補給を可能にし、効率性が高く、さらにノイズシグネチャが比較的低い。電力システムは、追加的なエネルギーを供給する交換可能な燃料貯蔵モジュールを含み、それにより、無人水上ビークルが長期間の間、過酷な条件下で作動することを可能にする。空気シュノーケルは、無人水上ビークルが水域内に配備されている間、燃料電池を作動させるために空気を供給する。さらに、空気シュノーケルは、燃料電池スタックから水を除去し、寒冷周囲温度期に燃料電池スタックを余熱し、且つ燃料電池スタックから廃熱を除去するその他の機能を提供する。燃料及び熱管理システムは、燃料貯蔵部内の燃料貯蔵部基板を加熱して、水素生成に触媒作用を及ぼし、（燃料貯蔵部が金属水素化物を貯蔵する場合に）燃料電池スタックによって生成された廃熱を使用して、水素生成に触媒作用を及ぼし、さらに燃料電池スタックから廃熱を除去する。
【0059】
さらに、本開示は、下記の条項に係る実施例を含む。
【0060】
条項１
無人水上ビークル（１２）用の電力システム（１０）であって、
燃料電池スタック（８０）を含む燃料電池（２０）であって、前記燃料電池スタック（８０）が、燃料入口（４２）、空気入口（６０）、及び排気出口（５０）を含む、燃料電池（２０）、
前記燃料電池スタック（８０）の前記燃料入口（４２）に流体接続された少なくとも１つの燃料貯蔵モジュール（４０）を含む燃料貯蔵部（３４）であって、前記燃料貯蔵モジュール（４０）が、前記燃料電池（２０）のためのエネルギー源である、燃料貯蔵モジュール（４０）、
前記燃料電池（２０）の前記空気入口（６０）及び前記排気出口（５０）に流体接続された空気管理システム（３０）、並びに
前記空気管理システム（３０）の一部であり、且つ、前記無人水上ビークル（１２）が水域内に配備されている間、前記燃料電池（２０）を作動させるために空気を供給する空気シュノーケル（７６）であって、
前記燃料電池スタック（８０）に供給された周囲空気を受け入れるための空気取入口（７０）と、
前記燃料電池スタック（８０）によって生成された排出空気及び排出水蒸気を排出するための排気口（７２）とを含む空気シュノーケル（７６）
を備えている電力システム（１０）。
無人水上ビークル（１２）用の電力システム（１０）であって、
燃料電池スタック（８０）を含む燃料電池（２０）であって、前記燃料電池スタック（８０）が、燃料入口（４２）、空気入口（６０）、及び排気出口（５０）を含む、燃料電池（２０）、
前記燃料電池スタック（８０）の前記燃料入口（４２）に流体接続された少なくとも１つの燃料貯蔵モジュール（４０）を含む燃料貯蔵部（３４）であって、前記燃料貯蔵モジュール（４０）が、前記燃料電池（２０）のためのエネルギー源である、燃料貯蔵モジュール（４０）、
前記燃料電池（２０）の前記空気入口（６０）及び前記排気出口（５０）に流体接続された空気管理システム（３０）、並びに
前記空気管理システム（３０）の一部であり、且つ、前記無人水上ビークル（１２）が水域内に配備されている間、前記燃料電池（２０）を作動させるために空気を供給する空気シュノーケル（７６）であって、
前記燃料電池スタック（８０）に供給された周囲空気を受け入れるための空気取入口（７０）と、
前記燃料電池スタック（８０）によって生成された排出空気及び排出水蒸気を排出するための排気口（７２）とを含む空気シュノーケル（７６）
を備えている電力システム（１０）。
【0061】
条項２
前記空気シュノーケル（７６）が、導管（１０１）、第１の空気弁（１０４）、及び第２の空気弁（１０６）を含み、前記周囲空気が、前記空気取入口（７０）を通して前記導管（１０１）に入り、前記排気空気及び排気水蒸気が、前記排気口（７２）を通して前記導管（１０１）から排出され、前記第１の空気弁（１０４）が、前記空気取入口（７０）に流体接続され、前記第２の空気弁（１０６）が、前記排気口（７２）に流体接続されている、条項１に記載の電力システム（１０）。
前記空気シュノーケル（７６）が、導管（１０１）、第１の空気弁（１０４）、及び第２の空気弁（１０６）を含み、前記周囲空気が、前記空気取入口（７０）を通して前記導管（１０１）に入り、前記排気空気及び排気水蒸気が、前記排気口（７２）を通して前記導管（１０１）から排出され、前記第１の空気弁（１０４）が、前記空気取入口（７０）に流体接続され、前記第２の空気弁（１０６）が、前記排気口（７２）に流体接続されている、条項１に記載の電力システム（１０）。
【0062】
条項３
前記導管（１０１）が、水だめ（１１３、１１５）を画定し、前記空気シュノーケル（７６）が、前記水だめ（１１３、１１５）に流体接続された水ポンプ（１２２）を含み、前記第１の空気弁（１０４）及び前記第２の空気弁（１０６）を閉じて、次いで、前記水ポンプ（１２２）を起動することによって、、前記水だめ（１１３、１１５）内に集められた水が除去される、条項２に記載の電力システム（１０）。
前記導管（１０１）が、水だめ（１１３、１１５）を画定し、前記空気シュノーケル（７６）が、前記水だめ（１１３、１１５）に流体接続された水ポンプ（１２２）を含み、前記第１の空気弁（１０４）及び前記第２の空気弁（１０６）を閉じて、次いで、前記水ポンプ（１２２）を起動することによって、、前記水だめ（１１３、１１５）内に集められた水が除去される、条項２に記載の電力システム（１０）。
【0063】
条項４
前記空気シュノーケル（７６）が、導管（１０１）、送風機（１３２）、及び前記送風機（１３２）の下流に配置されたヒーター（１３４）を含み、前記送風機（１３２）が、起動時に、強制空気を前記導管（１０１）にわたって循環させ、前記ヒーター（１３４）が、前記送風機（１３２）によって循環させられた前記強制空気の温度を上昇させる、条項１に記載の電力システム（１０）。
前記空気シュノーケル（７６）が、導管（１０１）、送風機（１３２）、及び前記送風機（１３２）の下流に配置されたヒーター（１３４）を含み、前記送風機（１３２）が、起動時に、強制空気を前記導管（１０１）にわたって循環させ、前記ヒーター（１３４）が、前記送風機（１３２）によって循環させられた前記強制空気の温度を上昇させる、条項１に記載の電力システム（１０）。
【0064】
条項５
前記導管（１０１）が、前記燃料電池スタック（８０）に流体接続され、前記強制空気が、前記燃料電池スタック（８０）を暖気温度まで暖めるために、前記導管（１０１）から前記燃料電池スタック（８０）へと移動する、条項４に記載の電力システム（１０）。
前記導管（１０１）が、前記燃料電池スタック（８０）に流体接続され、前記強制空気が、前記燃料電池スタック（８０）を暖気温度まで暖めるために、前記導管（１０１）から前記燃料電池スタック（８０）へと移動する、条項４に記載の電力システム（１０）。
【0065】
条項６
前記空気シュノーケル（７６）が、再循環弁（１０８）及び導管（１０１）を含み、前記再循環弁（１０８）が、前記導管（１０１）に沿って配置された可変流量弁であり、且つ、前記空気取入口（７０）に入る前記周囲空気を前記排気口（７２）からの前記排気空気と混合する、条項１に記載の電力システム（１０）。
前記空気シュノーケル（７６）が、再循環弁（１０８）及び導管（１０１）を含み、前記再循環弁（１０８）が、前記導管（１０１）に沿って配置された可変流量弁であり、且つ、前記空気取入口（７０）に入る前記周囲空気を前記排気口（７２）からの前記排気空気と混合する、条項１に記載の電力システム（１０）。
【0066】
条項７
前記導管（１０１）が、前記燃料電池スタック（８０）に流体接続され、前記再循環弁（１０８）が、全開位置又は複数の可変位置のうちの１つの位置のいずれかに開かれ、前記周囲空気の温度を目標燃料電池作動温度まで上昇させる、条項６に記載の電力システム（１０）。
前記導管（１０１）が、前記燃料電池スタック（８０）に流体接続され、前記再循環弁（１０８）が、全開位置又は複数の可変位置のうちの１つの位置のいずれかに開かれ、前記周囲空気の温度を目標燃料電池作動温度まで上昇させる、条項６に記載の電力システム（１０）。
【0067】
条項８
湿度センサ（２６０）及び周囲湿度センサ（８８）と通じている制御モジュール（９２）を備え、前記湿度センサ（２６０）が、前記燃料電池スタック（８０）から出る空気中の湿気を検出するために、前記空気シュノーケル（７６）の導管（１０１）内に位置付けされ、前記周囲湿度センサ（８８）が、周囲空気湿度を示す、条項１に記載の電力システム（１０）。
湿度センサ（２６０）及び周囲湿度センサ（８８）と通じている制御モジュール（９２）を備え、前記湿度センサ（２６０）が、前記燃料電池スタック（８０）から出る空気中の湿気を検出するために、前記空気シュノーケル（７６）の導管（１０１）内に位置付けされ、前記周囲湿度センサ（８８）が、周囲空気湿度を示す、条項１に記載の電力システム（１０）。
【0068】
条項９
前記制御モジュール（９２）が、凝縮器（１３０）及び送風機（１３２）と通じており、前記制御モジュール（９２）が、前記周囲空気湿度が閾値相対湿度を越え、前記燃料電池スタック（８０）が相当量の湿気を含むと判断したことに応答して、前記凝縮器（１３０）及び前記送風機（１３２）を起動させる、条項８に記載の電力システム（１０）。
前記制御モジュール（９２）が、凝縮器（１３０）及び送風機（１３２）と通じており、前記制御モジュール（９２）が、前記周囲空気湿度が閾値相対湿度を越え、前記燃料電池スタック（８０）が相当量の湿気を含むと判断したことに応答して、前記凝縮器（１３０）及び前記送風機（１３２）を起動させる、条項８に記載の電力システム（１０）。
【0069】
条項１０
送風機（１３２）と通じている制御モジュール（９２）を備え、前記制御モジュール（９２）が、前記送風機（１３２）を起動させ、空気を前記空気シュノーケル（７６）の導管（１０１）にわたって再循環させる、条項１に記載の電力システム（１０）。
送風機（１３２）と通じている制御モジュール（９２）を備え、前記制御モジュール（９２）が、前記送風機（１３２）を起動させ、空気を前記空気シュノーケル（７６）の導管（１０１）にわたって再循環させる、条項１に記載の電力システム（１０）。
【0070】
条項１１
前記制御モジュール（９２）が、前記送風機（１３２）によって消費された電力を継続的にモニタリングし、前記燃料電池スタック（８０）を冷却するために、前記送風機（１３２）によって消費された前記電力を熱交換器（１８０）の液体ポンプ（１７６）によって消費された電力量と比較する、条項１０に記載の電力システム（１０）。
前記制御モジュール（９２）が、前記送風機（１３２）によって消費された電力を継続的にモニタリングし、前記燃料電池スタック（８０）を冷却するために、前記送風機（１３２）によって消費された前記電力を熱交換器（１８０）の液体ポンプ（１７６）によって消費された電力量と比較する、条項１０に記載の電力システム（１０）。
【0071】
条項１２
前記制御モジュール（９２）は、前記送風機（１３２）によって消費された前記電力が、前記液体ポンプ（１７６）による平均電力消費と等しいか又はそれより少ないと判断したことに応答して、前記送風機（１３２）の起動を保持し続け、前記燃料電池スタック（８０）を目標スタック温度まで冷却する、条項１１に記載の電力システム（１０）。
前記制御モジュール（９２）は、前記送風機（１３２）によって消費された前記電力が、前記液体ポンプ（１７６）による平均電力消費と等しいか又はそれより少ないと判断したことに応答して、前記送風機（１３２）の起動を保持し続け、前記燃料電池スタック（８０）を目標スタック温度まで冷却する、条項１１に記載の電力システム（１０）。
【0072】
条項１３
前記制御モジュール（９２）は、前記送風機（１３２）が、前記熱交換器（１８０）の前記液体ポンプ（１７６）によって消費された前記電力量より多くの電力を消費していると判断したことに応答して、前記送風機（１３２）を停止させ、且つ前記液体ポンプ（１７６）を起動させて、前記燃料電池スタックを目標スタック温度まで冷却する、条項１１に記載の電力システム（１０）。
前記制御モジュール（９２）は、前記送風機（１３２）が、前記熱交換器（１８０）の前記液体ポンプ（１７６）によって消費された前記電力量より多くの電力を消費していると判断したことに応答して、前記送風機（１３２）を停止させ、且つ前記液体ポンプ（１７６）を起動させて、前記燃料電池スタックを目標スタック温度まで冷却する、条項１１に記載の電力システム（１０）。
【0073】
条項１４
作動中に前記燃料電池スタック（８０）によって生成された廃熱を除去するための熱交換器（１８０）、及び１次液体ポンプ（１７６）を備え、前記１次液体ポンプ（１７６）が、前記燃料電池スタック（８０）と前記熱交換器（１８０）との間の１次回路（１７７）を流れる冷却剤を循環させる、条項１に記載の電力システム（１０）。
作動中に前記燃料電池スタック（８０）によって生成された廃熱を除去するための熱交換器（１８０）、及び１次液体ポンプ（１７６）を備え、前記１次液体ポンプ（１７６）が、前記燃料電池スタック（８０）と前記熱交換器（１８０）との間の１次回路（１７７）を流れる冷却剤を循環させる、条項１に記載の電力システム（１０）。
【0074】
条項１５
作動中に前記燃料電池スタック（８０）によって生成された廃熱を除去するための熱交換器（１８０）、及び２次ポンプ（１８８）を備え、前記２次ポンプ（１８８）が、前記燃料貯蔵部（３４）と前記熱交換器（１８０）との間の２次回路（１８９）で冷却剤を循環させる、条項１に記載の電力システム（１０）。
作動中に前記燃料電池スタック（８０）によって生成された廃熱を除去するための熱交換器（１８０）、及び２次ポンプ（１８８）を備え、前記２次ポンプ（１８８）が、前記燃料貯蔵部（３４）と前記熱交換器（１８０）との間の２次回路（１８９）で冷却剤を循環させる、条項１に記載の電力システム（１０）。
【0075】
条項１６
無人水上ビークル（１２）用の電力システム（１０）であって、
燃料入口（４２）を含む燃料電池スタック（８０）を含む燃料電池（２０）、
前記燃料電池スタック（８０）の前記燃料入口（４２）に流体接続された少なくとも１つの燃料貯蔵モジュール（４０）を含む燃料貯蔵部（３４）であって、前記燃料貯蔵モジュール（４０）が、前記燃料電池（２０）のためのエネルギー源である、燃料貯蔵部（３４）、
前記燃料電池スタック（８０）の前記空気入口（４２）に流体接続された燃料及び熱管理システム（２８）であって、
作動中に前記燃料電池スタック（８０）によって生成された廃熱を除去するために、前記燃料電池スタック（８０）と熱的に連通している熱交換器（１８０）、
流量弁（１６８）、圧力調整器（１７０）、及び導管（１７２）を備え、前記導管（１７２）が、前記燃料貯蔵部（３４）を前記燃料電池スタック（８０）に流体接続し、前記流量弁（１６８）及び前記圧力調整器（１７０）の両方が、前記導管（１７２）に沿って配置されている、燃料及び熱管理システム（２８）
を備えている電力システム（１０）。
無人水上ビークル（１２）用の電力システム（１０）であって、
燃料入口（４２）を含む燃料電池スタック（８０）を含む燃料電池（２０）、
前記燃料電池スタック（８０）の前記燃料入口（４２）に流体接続された少なくとも１つの燃料貯蔵モジュール（４０）を含む燃料貯蔵部（３４）であって、前記燃料貯蔵モジュール（４０）が、前記燃料電池（２０）のためのエネルギー源である、燃料貯蔵部（３４）、
前記燃料電池スタック（８０）の前記空気入口（４２）に流体接続された燃料及び熱管理システム（２８）であって、
作動中に前記燃料電池スタック（８０）によって生成された廃熱を除去するために、前記燃料電池スタック（８０）と熱的に連通している熱交換器（１８０）、
流量弁（１６８）、圧力調整器（１７０）、及び導管（１７２）を備え、前記導管（１７２）が、前記燃料貯蔵部（３４）を前記燃料電池スタック（８０）に流体接続し、前記流量弁（１６８）及び前記圧力調整器（１７０）の両方が、前記導管（１７２）に沿って配置されている、燃料及び熱管理システム（２８）
を備えている電力システム（１０）。
【0076】
条項１７
前記流量弁（１６８）及びヒーター（２０２）の両方と通じている制御モジュール（９２）を備え、燃料が前記燃料貯蔵部（３４）から前記燃料電池スタック（８０）に流れることを遮断するために、前記流量弁（１６８）が閉じられ、前記制御モジュール（９２）が、前記ヒーター（２０２）を起動させて、燃料貯蔵基板を目標温度まで暖め、目標気体水素燃料生成率を達成する、条項１６に記載の電力システム（１０）。
前記流量弁（１６８）及びヒーター（２０２）の両方と通じている制御モジュール（９２）を備え、燃料が前記燃料貯蔵部（３４）から前記燃料電池スタック（８０）に流れることを遮断するために、前記流量弁（１６８）が閉じられ、前記制御モジュール（９２）が、前記ヒーター（２０２）を起動させて、燃料貯蔵基板を目標温度まで暖め、目標気体水素燃料生成率を達成する、条項１６に記載の電力システム（１０）。
【0077】
条項１８
前記燃料貯蔵部（３４）が、金属水素化物を貯蔵する、条項１６に記載の電力システム（１０）。
前記燃料貯蔵部（３４）が、金属水素化物を貯蔵する、条項１６に記載の電力システム（１０）。
【0078】
条項１９
前記燃料電池スタック（８０）によって生成された前記廃熱が、前記熱交換器（１８０）を通って流動する冷却剤によって伝導され、前記冷却剤が前記燃料貯蔵部（３４）へ循環させられて、前記金属水素化物を加熱する、条項１８に記載の電力システム（１０）。
前記燃料電池スタック（８０）によって生成された前記廃熱が、前記熱交換器（１８０）を通って流動する冷却剤によって伝導され、前記冷却剤が前記燃料貯蔵部（３４）へ循環させられて、前記金属水素化物を加熱する、条項１８に記載の電力システム（１０）。
【0079】
条項２０
前記燃料電池スタック（８０）によって生成された前記廃熱が、前記熱交換器（１８０）を通って流動する冷却剤によって伝導され、前記冷却剤が、水冷された熱交換器（１９５）へ循環させられる、条項１６に記載の電力システム（１０）。
前記燃料電池スタック（８０）によって生成された前記廃熱が、前記熱交換器（１８０）を通って流動する冷却剤によって伝導され、前記冷却剤が、水冷された熱交換器（１９５）へ循環させられる、条項１６に記載の電力システム（１０）。
【0080】
条項２１
無人水上ビークル（１２）に電力供給するために使用される電力システム（１０）の燃料電池（２０）を作動させるために空気を供給する方法であって、
前記空気は、前記無人水上ビークル（１２）が水域内に配備されている間に供給され、前記方法が、
前記燃料電池（２０）の燃料電池スタック（８０）の燃料入口（４２）に、少なくとも１つの燃料貯蔵モジュール（４０）を含む燃料貯蔵部（３４）を流体接続することであって、前記燃料貯蔵モジュール（４０）が、前記燃料電池（２０）のためのエネルギー源である、燃料貯蔵部（３４）を流体接続することと、
空気管理システム（３０）を前記燃料電池（２０）の空気入口（６０）及び排気出口（５０）に流体接続することと、
空気管理システム（３０）を前記燃料電池（２０）の前記空気入口（６０）及び前記排気出口（５０）に流体接続することと、
前記空気管理システムの一部である空気シュノーケル（７６）によって、前記燃料電池（２０）を作動させるために空気を供給することであって、前記空気シュノーケル（７６）が、前記燃料電池スタック（８０）に供給された周囲空気を受け入れるための空気取入口（７０）、及び前記燃料電池スタック（８０）によって生成された排気空気及び排気水蒸気を排出するための排気口（７２）を含む、空気を供給することと
を含む方法。
無人水上ビークル（１２）に電力供給するために使用される電力システム（１０）の燃料電池（２０）を作動させるために空気を供給する方法であって、
前記空気は、前記無人水上ビークル（１２）が水域内に配備されている間に供給され、前記方法が、
前記燃料電池（２０）の燃料電池スタック（８０）の燃料入口（４２）に、少なくとも１つの燃料貯蔵モジュール（４０）を含む燃料貯蔵部（３４）を流体接続することであって、前記燃料貯蔵モジュール（４０）が、前記燃料電池（２０）のためのエネルギー源である、燃料貯蔵部（３４）を流体接続することと、
空気管理システム（３０）を前記燃料電池（２０）の空気入口（６０）及び排気出口（５０）に流体接続することと、
空気管理システム（３０）を前記燃料電池（２０）の前記空気入口（６０）及び前記排気出口（５０）に流体接続することと、
前記空気管理システムの一部である空気シュノーケル（７６）によって、前記燃料電池（２０）を作動させるために空気を供給することであって、前記空気シュノーケル（７６）が、前記燃料電池スタック（８０）に供給された周囲空気を受け入れるための空気取入口（７０）、及び前記燃料電池スタック（８０）によって生成された排気空気及び排気水蒸気を排出するための排気口（７２）を含む、空気を供給することと
を含む方法。
【0081】
条項２２
前記空気シュノーケル（７６）に、導管（１０１）、第１の空気弁（１０４）、及び第２の空気弁（１０６）を設けることを含み、前記周囲空気が、前記空気取入口（７０）を通して前記導管（１０１）に入り、前記排気空気及び排気水蒸気が、前記排気口（７２）を通して前記導管（１０１）から排出され、前記第１の空気弁（１０４）が、前記空気取入口（７０）に流体接続され、且つ前記第２の空気弁（１０６）が、前記排気口（７２）に流体接続されている、条項２１に記載の方法。
前記空気シュノーケル（７６）に、導管（１０１）、第１の空気弁（１０４）、及び第２の空気弁（１０６）を設けることを含み、前記周囲空気が、前記空気取入口（７０）を通して前記導管（１０１）に入り、前記排気空気及び排気水蒸気が、前記排気口（７２）を通して前記導管（１０１）から排出され、前記第１の空気弁（１０４）が、前記空気取入口（７０）に流体接続され、且つ前記第２の空気弁（１０６）が、前記排気口（７２）に流体接続されている、条項２１に記載の方法。
【0082】
条項２３
前記第１の空気弁（１０４）及び前記第２の空気弁（１０６）を閉じることによって、水だめ（１１３、１１５）内に集められた水を除去し、次いで、水ポンプ（１２２）を起動させることを含み、前記水だめ（１１３、１１５）が、前記導管（１０１）によって画定され、前記水ポンプ（１２２）が、前記水だめ（１１３、１１５）に流体接続されている、条項２２に記載の方法。
前記第１の空気弁（１０４）及び前記第２の空気弁（１０６）を閉じることによって、水だめ（１１３、１１５）内に集められた水を除去し、次いで、水ポンプ（１２２）を起動させることを含み、前記水だめ（１１３、１１５）が、前記導管（１０１）によって画定され、前記水ポンプ（１２２）が、前記水だめ（１１３、１１５）に流体接続されている、条項２２に記載の方法。
【0083】
本明細書に記載の装置及び方法の形態は、本発明の好ましい実施例を構成しており、本発明は、装置及び方法のこれらの正確な形態に限定されず、それらに対する変更は、本発明の範囲から逸脱することなくなされ得ることを理解されたい。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図16】
【図17A】
【図17B】
【図18】