特表 2024-523136 電気化学デバイスでの流体回路の内圧を調整するための弁を制御するための方法およびモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-06-28

(54)【発明の名称】電気化学デバイスでの流体回路の内圧を調整するための弁を制御するための方法およびモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04746 20160101AFI20240621BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20240621BHJP

   H01M 8/04089 20160101ALI20240621BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20240621BHJP

   H01M 8/04992 20160101ALI20240621BHJP

   C25B 15/025 20210101ALI20240621BHJP

   B64D 27/355 20240101ALI20240621BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04746

H01M8/04 J

H01M8/04089

H01M8/0438

H01M8/04992

H01M8/04 Z

C25B15/025

B64D27/355

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023572775

(86)(22)【出願日】2022-05-31

(85)【翻訳文提出日】2024-01-11

(86)【国際出願番号】 EP2022064675

(87)【国際公開番号】W WO2022253790

(87)【国際公開日】2022-12-08

(31)【優先権主張番号】2105796

(32)【優先日】2021-06-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】516284345

【氏名又は名称】サフラン・パワー・ユニッツ

(74)【代理人】

【識別番号】110001173

【氏名又は名称】弁理士法人川口國際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ベルナール，キリアン・フランク・クロード

(72)【発明者】

【氏名】ビアレ，ロバン・ジャック・マリー

(72)【発明者】

【氏名】クラッスー，オリビエ・ラファエル・ルネ

(72)【発明者】

【氏名】ステファン，レミ・アンドレ・アルマン

【テーマコード（参考）】

4K021

5H127

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021BB04

4K021BC01

4K021CA08

4K021CA13

5H127AB04

5H127AC15

5H127BA02

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB37

5H127BB40

5H127CC01

5H127DB23

5H127DC69

5H127DC76

(57)【要約】

電気化学デバイス（２）での流体回路（３）の内圧（Ｐ_ｉｎｔ）を調整するための圧力調整弁（６）を制御するための方法であって、前記流体回路（３）が、外圧（Ｐ_ｅｘｔ）において空気を取り込み、圧縮比（Ａ）に従って内圧（Ｐ_ｉｎｔ）において空気を圧縮する圧縮機（４）によって供給され；前記方法が、外圧（Ｐ_ｅｘｔ）を測定するステップと、内圧（Ｐ_ｉｎｔ）および圧縮比（Ａ）に従って電気化学デバイス（２）および圧縮機（４）の全体効率（Ｒ１）を促進させるように、測定された外圧（Ｐ_ｅｘｔ）と圧縮範囲（Ｂ）とに基づいて内圧設定値（Ｐ_ｉｎｔ ^＊）を決定するステップと、内圧設定値（Ｐ_ｉｎｔ ^＊）に達するように圧力調整弁（６）を制御するステップとを含む、方法が開示される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気化学デバイス（２）での流体回路（３）の内圧（Ｐ_ｉｎｔ）を調整するための弁（６）を制御するための方法であって、前記流体回路（３）が、外圧（Ｐ_ｅｘｔ）において流体を取り込み、所定の圧縮範囲（Ｂ）に属する圧縮比（Ａ）に従って内圧（Ｐ_ｉｎｔ）まで流体を圧縮するように構成された圧縮機（４）によって供給され、前記調整弁（６）が、流体回路（３）の下流に取り付けられ、前記方法が、設定内圧（Ｐ_ｉｎｔ ^＊）に達するように調整弁（６）を制御するステップ（Ｅ３）を含み、方法が、
－ 所定のデータ、すなわち、
－ 内圧（Ｐ_ｉｎｔ）に応じての電気化学デバイス（２）の効率（Ｒ２）、
－ 圧縮比（Ａ）に応じての圧縮機（４）の効率（Ｒ４）、
－ 電気化学デバイス（２）の効率（Ｒ２）および圧縮機（４）の効率（Ｒ４）に応じての全体効率（Ｒ１）
から実施され、
－ 外圧（Ｐ_ｅｘｔ）を測定するステップ（Ｅ１）と、
－ 全体効率（Ｒ１）を向上させるように、測定された外圧（Ｐ_ｅｘｔ）と圧縮範囲（Ｂ）とから設定内圧（Ｐ_ｉｎｔ ^＊）を決定するステップ（Ｅ２）と
を含むことを特徴とする、方法。

【請求項2】

設定内圧（Ｐ_ｉｎｔ ^＊）を決定するステップ（Ｅ２）が、
－ 試験内圧（Ｐ_Ｔ）から電気化学デバイス（２）の試験効率（Ｒ_Ｔ）を計算する段階（Ｅ２－１）であって、前記試験内圧（Ｐ_Ｔ）が、圧縮機（４）の効率（Ｒ４）を向上させるように、測定された外圧（Ｐ_ｅｘｔ）と、圧縮範囲（Ｂ）に属する所定の圧縮比（Ａｔ）とから計算される、計算する段階（Ｅ２－１）と、
－ 電気化学デバイス（２）の試験効率（Ｒ_Ｔ）が所定の最小効率閾値（Ｓ１）未満である限り、圧縮機（４）の圧縮範囲（Ｂ）に属するインクリメントされた新たな試験圧縮比（Ａ_Ｔ）から試験効率（Ｒ_Ｔ）を計算する新たな段階（Ｅ２－２）と
を含み、
－ 設定内圧（Ｐ_ｉｎｔ ^＊）が、試験効率（Ｒ_Ｔ）が最小効率閾値（Ｓ１）を遵守する試験内圧（Ｐ_Ｔ）に対応する、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

設定内圧（Ｐ_ｉｎｔ ^＊）を決定するステップ（Ｅ２）が、
－ 測定された外圧（Ｐ_ｅｘｔ）および圧縮範囲（Ｂ）から許容可能な内圧の範囲（ＰＰ_Ａ）を計算する段階（Ｅ２－Ａ）と、
－ 測定された外圧（Ｐ_ｅｘｔ）により、内圧（Ｐ_ｉｎｔ）に応じて全体効率（Ｒ１）が再定義され、許容可能な内圧の範囲（ＰＰ_Ａ）にわたる全体効率（Ｒ１）の最大化の段階（Ｅ２－Ｂ）と
を含み、
－ 設定内圧（Ｐ_ｉｎｔ ^＊）が、全体効率（Ｒ１）が最大である許容可能な内圧（Ｐ_Ａ）に対応する、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

電気化学デバイス（２）の効率（Ｒ２）が内圧（Ｐ_ｉｎｔ）に比例し、圧縮機（４）の効率（Ｒ４）が、一定の外圧（Ｐ_ｅｘｔ）において、内圧（Ｐ_ｉｎｔ）に反比例する、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

電気化学デバイス（２）が、内圧（Ｐ_ｉｎｔ）に応じて予め定められた効率（Ｒ９）を有する冷却回路（９）によって冷却され、全体効率（Ｒ１）が、冷却回路（９）の効率（Ｒ９）に応じている、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

電気化学デバイス（２）の効率（Ｒ２）が流体回路（３）内の酸素レベル（Ｏ）に応じており、制御方法が、流体回路（３）内の酸素レベル（Ｏ）を測定するステップ（Ｅ０）を含み、決定ステップ（Ｅ２）が、測定された酸素レベル（Ｏ）から実施される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

電気化学デバイス（２）が燃料電池の形態であり、好ましくは、流体回路（３）が、優先的には中を空気が流れる、燃料電池のカソード回路の形態である、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

電気化学デバイス（２）が、第２の調整弁（１１）によって制御される第２の内圧（Ｐ１０）の第２の流体回路（１０）を備え、制御方法が、｜Ｐ１０^＊－Ｐ_ｉｎｔ ^＊｜＜Ｓ２を検証する第２の設定内圧（Ｐ１０^＊）に達するように第２の調整弁（１１）を制御するステップ（Ｅ４）を含み、ここで、（Ｓ２）が、所定の最大圧力変動閾値を指定する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

電気化学デバイス（２）が、航空機に搭載されて、その電気エネルギーの供給を少なくとも一部確実にし、前記方法が、航空機の飛行中に実施される、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

請求項１から９のいずれか一項に記載の方法の実施のための、電気化学デバイス（２）での流体回路（３）の内圧（Ｐ_ｉｎｔ）を調整するための弁（６）を制御するためのモジュールであって、前記流体回路（３）が、外圧（Ｐ_ｅｘｔ）において流体を取り込み、所定の圧縮範囲（Ｂ）に属する圧縮比（Ａ）に従って内圧（Ｐ_ｉｎｔ）まで流体を圧縮するように構成された圧縮機（４）によって供給され、前記制御モジュールが、
－ 外圧（Ｐ_ｅｘｔ）を測定するための部材（８）と、
－ 所定のデータ、すなわち、
－ 内圧（Ｐ_ｉｎｔ）に応じての電気化学デバイス（２）の効率（Ｒ２）、
－ 圧縮比（Ａ）に応じての圧縮機（４）の効率（Ｒ４）、
－ 電気化学デバイス（２）の効率（Ｒ２）および圧縮機（４）の効率（Ｒ４）に応じての全体効率（Ｒ１）
を記憶するための部材と、
－ 全体効率（Ｒ１）を向上させるように、測定された外圧（Ｐ_ｅｘｔ）と圧縮範囲（Ｂ）とから設定内圧（Ｐ_ｉｎｔ ^＊）を決定するように構成された計算部材と、
－ 設定内圧（Ｐ_ｉｎｔ ^＊）に達するための調整弁（６）の弁アクチュエータ（７）と
を備える、モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、特に航空機に搭載される電気化学デバイス（燃料電池、電解槽など）の分野に関し、特にそのような電気化学デバイスでの内圧の調整を対象とする。

【背景技術】

【0002】

知られているように、燃料電池は、燃料である水素と、酸化剤である空気中に存在する酸素との酸化還元反応から電気エネルギーを生成することを可能にする。図１を参照すると、燃料電池２００は、酸化還元反応が生じる複数のセル２１０のスタックを備え、これらのセル２１０は、２枚のエンドプレート２２０の間に保持されて、生成された電気エネルギーを収集できるようにする。また、燃料電池２００は、カソード回路３００およびアノード回路３１０を備え、セル２１０にそれぞれ空気および水素を供給し、酸化還元反応の生成物、すなわち水と微量の水素および空気とを排出することを可能にする。

【0003】

航空機に搭載される燃料電池２００のコンテキストでは、カソード回路３００の空気は、従来、航空機の内部または外部で取り込まれ、すなわち高度に応じて物理化学的特性が変化する外部環境で取り込まれる。特に、外圧Ｐ_ｅｘｔと呼ばれる気圧は高度と共に減少し、例えば１７０００ｍの高い航空機高度では約９０００Ｐａに達する。同じことが、特に空気の温度および酸素濃度にも当てはまる。そのような変動は、燃料電池２００の動作条件を変更させ、燃料電池２００の性能を低減させる可能性があり、これは望ましくない。

【0004】

燃料電池２００の動作条件を制御するために、カソード回路３００の上流に圧縮機４００を取り付け、カソード回路３００の下流に内圧を調整するための弁６００を取り付けることが知られている。図１に示されるように、圧縮機４００は、燃料電池２００の性能を最適化することを可能にする課せられた質量流量Ｑ_ｏｐｔおよび内圧Ｐ_ｏｐｔに従って、外部環境から取り込んだ空気を圧縮してカソード回路３００に注入することを可能にする。調整弁６００は、燃料電池２００内の課された内圧Ｐ_ｏｐｔを維持してその効率を最適化するために、その一部に可変通路セクションを備える。同じ原理による実施形態が、仏国特許出願公開第３０７４３６３Ａ１号から知られている。

【0005】

しかし、実際には、航空機の飛行中の外圧Ｐ_ｅｘｔの変動により、燃料電池２００の最適な性能を維持するために、広い圧縮比範囲を有する圧縮機４００のディメンジョニングが必要である。圧縮機４００のそのようなディメンジョニングは、望ましくないことに、その質量、その体積、およびそのコストを増加させる。

【0006】

さらに、燃料電池２００の効率の最適化は、特に高い高度で、圧縮機４００の高い電力消費を必要とする。圧縮機４００は従来、燃料電池２００によって電気的に供給され、その結果、航空機に供給することを意図された燃料電池２００の電気生成の利得は、圧縮機４００の電力消費によって少なくとも一部失われる。

【0007】

これらの欠点をなくすために、１つの解決策は、カソード回路３００内の課される内圧Ｐ_ｏｐｔの値を低減することである。しかし、これは、燃料電池２００の性能を許容できないほど低減させる。

【0008】

したがって、本発明は、燃料電池、より一般には電気化学デバイス、特に航空機に搭載される電気化学デバイスの内圧を調整するための弁を制御するための方法およびモジュールを提案することによって、これらの欠点の少なくとも一部をなくすことを狙いとする。

【0009】

従来技術による燃料電池は、米国特許出願公開第２０１９０２６７６４５Ａ１号、国際公開第２０１１０８９５０２Ａ１号、および米国特許出願公開第２００８００８８０４３Ａ１号によって従来技術で知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】仏国特許出願公開第３０７４３６３号明細書

【特許文献2】米国特許出願公開第２０１９／０２６７６４５号明細書

【特許文献3】国際公開第２０１１／０８９５０２号

【特許文献4】米国特許出願公開第２００８／００８８０４３号明細書

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、電気化学デバイスでの流体回路の内圧を調整するための弁を制御するための方法に関す、前記流体回路が、外圧において流体を取り込み、所定の圧縮範囲に属する圧縮比に従って内圧まで流体を圧縮するように構成された圧縮機によって供給され、前記方法が、設定内圧に達するように調整弁を制御するステップを含む。

【0012】

本発明は、方法が：
－ 所定のデータ、すなわち：
－ 内圧に応じての電気化学デバイスの効率、
－ 圧縮比に応じての圧縮機の効率、
－ 電気化学デバイスの効率および圧縮機の効率に応じての全体効率
から実施され、
－ 方法が：
－ 外圧を測定するステップと、
－ 全体効率を向上させるように、測定された外圧と圧縮範囲とから設定内圧を決定するステップと
を含む点で注目に値する。

【0013】

本発明は、有利には、電気化学デバイスにより得られる全体効率、すなわち電気化学デバイスおよびその動作を可能にする関連する要素のアセンブリによって形成される電気生産システムの効率を向上させることを可能にする。関連する要素は、特に、電気化学デバイスの流体回路を供給する圧縮機、電気化学デバイスの冷却回路などを指定する。したがって、そのような全体効率は、電気化学デバイスの電気生成に基づくが、その関連する要素の電力消費にも基づく。これにより、電気化学デバイスによって実際に発生される電力を考慮することが可能になり、これは、電気化学デバイスが発生する電力から、動作のために消費する電力を引いた値に直接的または間接的に対応する。そのような全体的な手法は、関連する要素を考慮せずに電気化学デバイスのみの効率を向上させることを狙いとする従来技術とは異なる。

【0014】

全体効率を向上させるために、本発明は、有利には、下流に取り付けられた調整弁を制御することによって、単一のパラメータ、すなわち流体回路の内圧を簡単で実用的な方法で調整することを提案する。決定された設定内圧は、有利には、電気化学デバイスが位置する環境の物理化学的データ、特に外圧と、電気化学デバイスおよびその関連する要素、特に圧縮機の性能データとに基づく。

【0015】

本発明の一態様によれば、設定内圧を決定するステップが：
－ 試験内圧から電気化学デバイスの試験効率を計算する段階であって、前記試験内圧が、圧縮機の効率を向上させるように、測定された外圧と、圧縮範囲に属する所定の圧縮試験比とから計算される、計算する段階と、
－ 電気化学デバイスの試験効率が所定の最小効率閾値未満である限り、圧縮機の圧縮範囲に属するインクリメントされた新たな試験圧縮比から試験効率を計算する新たな段階と
を含み、
－ 設定内圧が、試験効率が最小効率閾値に従う試験内圧に対応する。

【0016】

したがって、そのような試験手法は、圧縮機に関する許容できる仮説の圧縮比から、対応する電気化学デバイスの効率も許容できることを検証することにある。そのような試験手法により、外圧と、電気化学デバイスおよびその関連する要素の性能データとの簡単な測定から、電気化学デバイスとその関連する要素との両方が良好な動作条件になる内圧値を決定することが可能になる。特に、決定ステップの終了時に選定される設定内圧は、圧縮機の電力消費を制限しながら、電気化学デバイスの良好な効率を確実にする。外圧が変更されると、実用的に新たな設定内圧を決定することができる。

【0017】

本発明の別の態様によれば、設定内圧を決定するステップが：
－ 測定された外圧および圧縮範囲から許容可能な内圧の範囲を計算する段階と、
－ 測定された外圧により、内圧に応じて全体効率が再定義され、許容可能な内圧の範囲にわたる全体効率の最大化の段階と
を含み、
－ 設定内圧が、全体効率が最大である許容可能な内圧に対応する。

【0018】

そのような最適化手法は、電気化学デバイスの効率を内圧に応じたものとして考え、圧縮機の効率を２つの変数、すなわち内圧および外圧に応じたものとして考える。外圧の測定から、全体効率が内圧に応じて書き換えられ、許容可能な内圧の範囲にわたって最大化される。そのような手法は、有利には、例えば航空機への搭載時の高い高度においてのように特に外圧が高いときに、電気化学デバイスの動作点とは異なるエネルギー生成システムの最適な動作点を決定することを可能にする。

【0019】

本発明の一態様によれば、電気化学デバイスの効率は内圧に比例し、圧縮機の効率は、一定の外圧において、内圧に反比例する。したがって、決定された設定内圧は、電気化学デバイスの性能を向上させるように十分に高く、および圧縮機のエネルギー消費を制限するのに十分に低く選定される。

【0020】

本発明の一態様によれば、電気化学デバイスが、内圧に応じて予め定められた効率を有する冷却回路によって冷却され、全体効率が、冷却回路の効率に応じている。決定された設定内圧により、有利には、圧縮機および冷却回路のエネルギー消費を考慮することによって、全体としてエネルギー生成システムの動作を向上させることが可能になる。

【0021】

本発明の一態様によれば、電気化学デバイスの効率が流体回路内の酸素レベルに応じており、制御方法が、流体回路内の酸素レベルを測定するステップを含み、決定ステップが、測定された酸素レベルから実施される。設定内圧は、有利には、電気化学デバイスが取り付けられる環境のいくつかの物理化学的条件、すなわち外圧および存在する酸素レベルから決定される。

【0022】

本発明の一態様によれば、電気化学デバイスが燃料電池の形態であり、好ましくは、流体回路が、好ましくは中を空気が流れる、燃料電池のカソード回路の形態である。燃料電池の動作条件は、有利には、空気の外圧および酸素レベルなど、燃料電池が取り付けられる外部環境の物理化学的条件に特に基づく。

【0023】

本発明の一態様によれば、電気化学デバイスが、第２の調整弁によって制御される第２の内圧の第２の流体回路を備え、制御方法が、｜Ｐ１０^＊－Ｐ_ｉｎｔ ^＊｜＜Ｓ２を検証する第２の設定内圧Ｐ１０^＊に達するように第２の調整弁を制御するステップを含み、ここで、Ｓ２は、所定の最大圧力変動閾値を指定し、Ｐ_ｉｎｔ ^＊は、第１の流体回路の第１の調整弁の設定内圧である。ここで、第１の流体回路および第１の調整弁は、前述した流体回路および調整弁を指定し、第２の流体回路および第２の調整弁と区別される。したがって、本発明による方法は、電気化学デバイスの酸化剤回路と燃料回路との両方での内圧を制御することを可能にする。これにより、電気化学デバイス内で実質的に均質な圧力を確実にし、したがってその正しい動作を保証し、その耐用年数を増加させることが可能になる。

【0024】

本発明の好ましい態様によれば、第２の流体回路は、好ましくは中を水素が流れる、燃料電池アノード回路の形態である。したがって、本発明による方法は、燃料電池の酸化剤回路と燃料回路との両方での内圧を制御することを可能にする。

【0025】

本発明の一態様によれば、電気化学デバイスが、航空機に搭載されて、その電気エネルギー供給を少なくとも一部確実にし、前記方法が、航空機の飛行中に実施される。本発明による方法は、物理化学的条件が高度に応じて大幅に変化するため、航空機に搭載された電気化学デバイスに特に有利である。したがって、本発明による方法は、航空機の高度に関係なく、全体効率を向上させるように、飛行中に設定内圧を適応させることを可能にする。

【0026】

本発明はまた、前述の方法の実施のための、電気化学デバイスでの流体回路の内圧を調整するための弁を制御するためのモジュールであって、前記流体回路が、外圧において流体を取り込み、所定の圧縮範囲に属する圧縮比に従って内圧まで流体を圧縮するように構成された圧縮機によって供給され、前記制御モジュールが：
－ 外圧を測定するための部材と、
－ 所定のデータ、すなわち：
－ 内圧に応じての電気化学デバイスの効率、
－ 圧縮比に応じての圧縮機の効率、
－ 電気化学的な効率および圧縮機の効率に応じての全体効率
を記憶するための部材と、
－ 全体効率を向上させるように、測定された外圧と圧縮範囲とから設定内圧を決定するように構成された計算部材と、
－ 設定内圧に達するための調整弁の弁アクチュエータと
を備えるモジュールに関する。

【0027】

本発明は、一例として与えられる以下の説明を読み、非限定的な例として与えられる以下の図面を参照すれば、より良く理解されるであろう。図面中、同様のオブジェクトには同一の参照符号が付されている。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】従来技術による航空機に搭載された燃料電池の概略図である。

【図2】本発明の一実施形態による航空機に搭載された燃料電池の概略図である。

【図3】本発明の一実施形態による、図２の燃料電池の調整弁を制御するための方法の概略図である。

【図4A】本発明の一実施形態による、図３の方法の設定内圧を決定するステップの概略図である。

【図4B】図４Ａの決定ステップの実施中の計算段階の概略図である。

【図4C】図４Ａの決定ステップの実施中の計算段階の概略図である。

【図5A】本発明の代替実施形態による、図３の方法の設定内圧を決定するステップの概略図である。

【図5B】図５Ａの決定ステップの実施中の計算段階の概略図である。

【図5C】図５Ａの決定ステップの実施中の計算段階の概略図である。

【図6A】本発明の別の実施形態による航空機に搭載された燃料電池の概略図である。

【図6B】本発明の別の実施形態による、図６Ａの燃料電池の調整弁を制御するための方法の概略図である。

【図7A】本発明の別の実施形態による航空機に搭載された燃料電池の概略図である。

【図7B】本発明の別の実施形態による、図７Ａの燃料電池の調整弁を制御するための方法の概略図である。

【図8A】本発明の別の実施形態による航空機に搭載された燃料電池の概略図である。

【図8B】本発明の別の実施形態による、図８Ａの燃料電池の調整弁を制御するための方法の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

図面は、本発明を実施するために本発明を詳細に表し、適用可能であれば、当然、前記図面を使用して本発明をより良く定義することができることに留意されたい。

【0030】

本発明は、電気化学デバイスでの流体回路の内圧を調整するための弁を制御するための方法に関する。本発明は、物理化学的特性が変化する環境において、グローバルスケールで電気化学デバイスの効率を向上させることを狙いとする。以下、本発明を、カソード回路の形態での流体回路内の内部気圧を調整するために航空機に搭載された燃料電池のコンテキストで説明する。しかし、言うまでもなく、電気化学デバイスは、電解槽または触媒反応器など燃料電池以外の形態でもよく、および／または航空機の環境とは異なる環境で取り付けられてもよい。流体回路は、アノード回路など別の形態でもよく、および／または任意の流体の循環を可能にすることもできる。

【0031】

序言で説明したように、燃料電池は、燃料である水素と、酸化剤である空気中に存在する酸素との酸化還元反応から電気エネルギーを生成することを可能にする。図２を参照すると、燃料電池２は、酸化還元反応が生じる複数のセル２１のスタックを備え、これらのセル２１は、２枚のエンドプレート２２の間に保持されて、生成された電気エネルギーを収集できるようにする。また、燃料電池２は、カソード回路３およびアノード回路１０を備え、セル２１にそれぞれ空気および水素を供給し、酸化還元反応の生成物、すなわち水と微量の水素および空気とを排出することを可能にする。

【0032】

序言で説明したように、航空機に搭載される燃料電池２のコンテキストでは、カソード回路３の空気は、従来、航空機の内部または外部から取り込まれ、すなわち高度に応じて物理化学的特性が可変である外部環境から取り込まれる。特に、外圧Ｐ_ｅｘｔと呼ばれる気圧は高度と共に減少し、例えば１７０００ｍの高い航空機高度では約９０００Ｐａに達する。同じことが、特に空気の温度および酸素濃度にも当てはまる。

【0033】

序言で説明し、図２に示されるように、圧縮機４および調整弁６が、それぞれカソード回路３の上流および下流に取り付けられる。圧縮機４と調整弁６とは一緒に、カソード回路３内の空気の内圧Ｐ_ｉｎｔおよび質量流量Ｑを制御して、燃料電池２の動作条件を制御することができるようにする。より正確には、圧縮機４は、外圧Ｐ_ｅｘｔで外部環境から取り込んだ空気を圧縮比Ａに従って圧縮することを可能にする。圧縮比Ａは、圧縮機４に特有の圧縮範囲Ｂに属する。圧縮機４の圧縮比Ａは、カソード回路３内の空気の所望の質量流量Ｑに従って制御デバイス５によって制御される。

【0034】

序言で説明し、図２に示されるように、調整弁６は、カソード回路３内の所望の内圧Ｐ_ｉｎｔに応じて弁アクチュエータ７によって制御される可変通路セクションをその一部に備える。したがって、調整弁６は圧力従属性であり、圧縮機４は流量従属性であり、燃料電池２の動作条件、したがってその効率を制御する。

【0035】

本発明によれば、図２および３に示されるように、カソード回路３内の内圧Ｐ_ｉｎｔは、以下の所定のデータから調整弁６を制御するための方法の実施によって調整される：
－ カソード回路３の内圧Ｐ_ｉｎｔに応じての燃料電池２の効率Ｒ２、
－ 圧縮比Ａに応じての圧縮機４の効率Ｒ４、および
－ 燃料電池２の効率Ｒ２および圧縮機４の効率Ｒ４に応じての全体効率Ｒ１。

【0036】

さらに本発明によれば、図２および３に示されるように、制御方法は以下を含む：
－ 外気の外圧Ｐ_ｅｘｔを測定するステップＥ１、
－ 全体効率Ｒ１を向上させるように、測定された外圧Ｐ_ｅｘｔおよび圧縮機４の圧縮範囲Ｂから設定内圧Ｐ_ｉｎｔ ^＊を決定するステップＥ２、および
－ 設定内圧Ｐ_ｉｎｔ ^＊に達するように調整弁６を制御するステップＥ３。

【0037】

以下で説明するように、第１の実施形態によれば、決定ステップＥ２は、圧縮機４の許容できる効率Ｒ４に関連するいくつかの内圧試験値Ｐ_ｉｎｔについて燃料電池２の効率Ｒ２を比較することによって実施される。第２の実施形態によれば、決定ステップＥ２は、圧縮機４に関して許容できる内圧Ｐ_ｉｎｔの範囲にわたる全体効率Ｒ１を最大化することによって実施される。

【0038】

したがって、本発明による制御方法は、電気生成システム１の全体的な性能を向上させるようにカソード回路３内の内圧Ｐ_ｉｎｔを調整することを可能にする。図２に示されるように、そのような電気生成システム１は、燃料電池２と、燃料電池２に酸化剤を供給する圧縮機４など、燃料電池２の動作を可能にする関連する要素と包含する。したがって、決定された設定内圧Ｐ_ｉｎｔ ^＊により、航空機で利用可能になる生成されたエネルギーを向上させることが可能になり、このエネルギーは、燃料電池２の出口で生成されるエネルギーから、外気を圧縮するために使用されるエネルギーなど関連する要素によって消費されるエネルギーを差し引いた値に対応する。

【0039】

本発明の第１の実施形態による制御方法のステップ、次いで本発明の第２の実施形態による制御方法のステップを以下に説明する。本発明の他の好ましい態様を最後に示す。

【0040】

図２に示されるように、制御方法の実施に先立って、全体効率Ｒ１、燃料電池２の効率Ｒ２、および圧縮機４の効率Ｒ４のデータが、調整弁６の弁アクチュエータ７、または代替として計算機のデータベースなど任意の記憶部材に記憶されている。実際、効率データＲ１、Ｒ２、Ｒ４は、考察中のシステムのエネルギー性能、すなわちそのエネルギー生成および／またはそのエネルギーコストを１つ以上のパラメータに応じて定量化する変数の形式である。本発明の好ましい態様によれば、１つ（または複数）の効率データＲ１、Ｒ２、Ｒ４は、以下の形式である：
－ 生成された電力を考察中のシステムによって消費される電力で割った商；および／または
－ 考察中のシステムの所定の最大効率からの偏差；および／または
－ 考察中のシステムによって生成／消費される電力。

【0041】

言うまでもなく、効率データＲ１、Ｒ２、Ｒ４のうちの１つ以上は、言及されたものとは別のエネルギー性能の定量化変数の形式でもよい。

【0042】

本発明の好ましい態様によれば、効率データＲ１、Ｒ２、Ｒ４はさらに、１つ以上のパラメータに依存する理論的および／または実験的に得られたモデルの形式である。図３に示されるように、圧縮機４の効率Ｒ４は、圧縮機４の圧縮比Ａに応じて変化し、より正確には反比例して変化する。定義上、圧縮機４の圧縮比Ａは、関係：Ａ＝Ｐ_ｉｎｔ／Ｐ_ｅｘｔを検証することに留意されたい。したがって、圧縮機４の効率Ｒ４は、外圧Ｐ_ｅｘｔを一定とすると、内圧Ｐ_ｉｎｔに反比例して変化する。さらに図３を参照すると、燃料電池２の効率Ｒ２は、その一部に関して内圧Ｐ_ｉｎｔに応じて変化し、より正確には比例して変化する。言うまでもなく、燃料電池２および／または圧縮機４の効率Ｒ２のモデルにおいて、以下で説明するように、燃料電池２の効率Ｒ２に関してカソード回路３内の酸素含有量など追加のパラメータを考慮に入れることができる。

【0043】

図３に示されるように、全体効率Ｒ１は、燃料電池２およびその動作を可能にする関連する要素のアセンブリとして先に定義された電気生成システム１の効率を指定する。この例では、電気生成システム１は、燃料電池２および圧縮機４から一意に形成されると考える。したがって、全体効率Ｒ１は、燃料電池２の効率Ｒ２および圧縮機４の効率Ｒ４に応じて変化し、実際には比例して変化する。好ましくは、全体効率Ｒ１は、燃料電池２によって生成される電力を、圧縮機４によって消費される電力で割った商に相当する。

【0044】

言うまでもなく、以下に説明するように、燃料電池２の冷却回路９など、他の要素を電気生成システム１に追加することができる。好ましくは、選択される関連する要素は、エネルギー消費が燃料電池２の動作条件、特にカソード回路３の内圧Ｐ_ｉｎｔに応じての要素である。また好ましくは、選択される関連する要素は、燃料電池２のエネルギー生成と比較してエネルギー消費が顕著なものである。

【0045】

図２および３に示されるように、制御方法は、外気の外圧Ｐ_ｅｘｔを測定するステップＥ１から始まる。この例では、測定するステップＥ１は、調整弁６の弁アクチュエータ７に接続された、好ましくは圧力センサの形態での測定部材８によって実施される。代替として、外圧Ｐ_ｅｘｔは、例えば航空機の高度測量センサから間接的に測定することもできる。測定ステップＥ１の終了時、外圧Ｐ_ｅｘｔの測定結果が弁アクチュエータ７に伝送される。

【0046】

図２および３を参照すると、次に、調整弁６に関する設定内圧Ｐ_ｉｎｔ ^＊を決定するステップＥ２が実施される。図４Ａに示される第１の実施形態によれば、決定ステップＥ２は以下を含む：
－ 試験内圧Ｐ_Ｔから燃料電池２の試験効率Ｒ_Ｔを計算する段階Ｅ２－１であって、前記試験内圧Ｐ_Ｔが、圧縮機４の効率Ｒ４を向上させるように、測定された外圧Ｐ_ｅｘｔと、圧縮範囲Ｂに属する所定の試験圧縮比Ａ_Ｔとから計算される、計算する段階Ｅ２－１、
－ 電気化学デバイス２の試験効率Ｒ_Ｔが所定の最小効率閾値Ｓ１未満である限り、圧縮範囲Ｂに属するインクリメントされた新たな試験圧縮比Ａ_Ｔから試験効率Ｒ_Ｔを計算する新たな段階Ｅ２－２。

【0047】

したがって、決定ステップＥ２中に決定された設定内圧Ｐ_ｉｎｔ ^＊は、試験効率Ｒ_Ｔが最小効率閾値Ｓ１を遵守する試験内圧Ｐ_Ｔに対応する。

【0048】

実際には、図４Ａおよび４Ｂに示されるように、計算段階Ｅ２－１は、圧縮機４の圧縮範囲Ｂに属する所定の試験圧縮比Ａ_Ｔから実施される。好ましくは、試験圧縮比Ａ_Ｔは、圧縮機４の低いエネルギー消費、したがって圧縮機４の高い効率Ｒ４に対応するように低く選定され、Ｒ４＝ｆ（Ａ_Ｔ）＞Ｓ４を検証する。Ｓ４は、圧縮機４の最小効率閾値を指定し、好ましくは圧縮機４の最大効率よりも５０％以下だけ小さい。また、好ましくは、試験圧縮比Ａ_Ｔは、圧縮範囲Ｂの中央値未満に選定される。

【0049】

図４Ａおよび４Ｂに示されるように、計算段階Ｅ２－１中、試験効率Ｒ_Ｔに関連付けられる試験内圧Ｐ_Ｔが、実際には関係：Ｐ_Ｔ＝Ｒ_Ｔ×Ｐ_ｅｘｔによって、測定された外圧Ｐ_ｅｘｔから計算される。燃料電池２の試験効率Ｒ_Ｔは、その一部に関して燃料電池２の所定の効率Ｒ２および試験内圧Ｐ_Ｔから、実際には関係：Ｒ_Ｔ＝Ｒ２＝ｇ（Ｐ_Ｔ）によって決定される。図４Ｂの例では、得られた試験効率Ｒ_Ｔが、燃料電池２の最小効率Ｓ１よりも低く、したがって、新たな計算段階Ｅ２－２が実施され、新たな試験圧縮比Ａ_Ｔが増分εだけインクリメントされる（図４Ａ参照）。

【0050】

図４Ｃは、実際には前の計算段階と同一の方法で実施される、新たな圧縮比Ａ_Ｔを用いた計算段階Ｅ２－２を示す。図４Ｃの例では、計算段階Ｅ２－２中に得られた試験効率Ｒ_Ｔが、最小効率閾値Ｓ１よりも大きい。それで、新たな計算段階Ｅ２－１、Ｅ２－２は実施されず、設定内圧Ｐ_ｉｎｔ ^＊は、この例では計算段階Ｅ２－２中に計算された最後の試験内圧Ｐ_Ｔに対応する。言うまでもなく、計算段階Ｅ２－１、Ｅ２－２の数は任意であり、特に、選択された試験圧縮比Ａ_Ｔ、増分ｅ、および最小効率閾値Ｓ１に依存する。好ましくは、燃料電池２の最小効率閾値Ｓ１は、燃料電池２の最大効率を５０％以下だけ下回るように選択される。

【0051】

図２および３を参照すると、決定ステップＥ２の終了時、設定内圧Ｐ_ｉｎｔ ^＊が弁アクチュエータ７に伝送されて、調整弁６を制御するステップＥ３が実施される。図２の例では、決定ステップＥ２は弁アクチュエータ７によって実施されているが、言うまでもなく、所定のデータを記憶するための部材および弁アクチュエータ７に接続された任意の計算部材で実施することができる。制御ステップＥ３は、その一部に関してカソード回路３内の設定内圧Ｐ_ｉｎｔ ^＊を得られるように調整弁６の通路セクションを調整することによって実施される。そのような設定内圧Ｐ_ｉｎｔ ^＊は、燃料電池２の電気生成の向上と、圧縮機４の電力消費の制限との両方を可能にする。好ましくは、そのような制御方法は、航空機の飛行中に数回、好ましくは測定された外圧Ｐ_ｅｘｔに影響を与える高度の変化ごとに実施される。

【0052】

有利には、設定内圧Ｐ_ｉｎｔ ^＊は、増加的に決定され、これは、圧縮機４の消費を低減しながら最小効率目標Ｓ１を満たす。

【0053】

図５Ａは、決定ステップＥ２が以下を含む点で、前の実施形態とは異なる本発明の第２の実施形態を示す：
－ 測定された外圧Ｐ_ｅｘｔおよび圧縮範囲Ｂから許容可能な内圧の範囲ＰＰ_Ａを計算する段階Ｅ２－Ａ、および
－ 測定された外圧Ｐ_ｅｘｔが、内圧Ｐ_ｉｎｔに応じて全体効率Ｒ１を定義することを可能にし、許容可能な内圧の範囲ＰＰ_Ａにわたる全体効率Ｒ１の最大化の段階Ｅ２－Ｂ。

【0054】

したがって、設定内圧Ｐ_ｉｎｔ ^＊は、全体効率Ｒ１が最大である許容可能な内圧に対応する。

【0055】

より正確には、図５Ｂおよび５Ｃを参照すると、計算段階Ｅ２－Ａ中に決定された許容可能な内圧の範囲ＰＰ_Ａは、関係：ＰＰ_Ａ＝Ｐ_ｅｘｔ×Ｂを検証する。また、測定された外圧Ｐ_ｅｘｔは、圧縮機４の効率Ｒ４を内圧Ｐ_ｉｎｔに応じたものとして書き換えることを可能にする。したがって、計算段階Ｅ２－Ａの終了時、図５Ｂおよび５Ｃに示されるように、圧縮機４の効率Ｒ４と燃料電池２の効率Ｒ２とはどちらも、内圧Ｐ_ｉｎｔに応じている。したがって、全体効率Ｒ１を内圧Ｐ_ｉｎｔのみに応じて表現することもできる。さらに、決定された許容可能な内圧の範囲ＰＰ_Ａにより、全体効率Ｒ１を最大化することができる間隔を定義することができる。

【0056】

図５Ｂおよび５Ｃに示されるように、最大化段階Ｅ２－Ｂは、全体効率Ｒ１から実施され、全体効率Ｒ１が最大である許容可能な内圧の範囲ＰＰ_Ａ内で設定内圧Ｐ_ｉｎｔ ^＊を決定することを可能にする。

【0057】

図６Ａおよび６Ｂを参照すると、本発明の好ましい態様によれば、燃料電池２のアノード回路１０も圧力従属性である。より正確には、図６Ａに示されるように、アノード回路１０の下流に、アノード回路１０の内圧Ｐ１０を調整する弁１１が取り付けられるが、これを本明細書では以後「第２の調整弁１１」と指定する。分かりやすくするために、ここでは、カソード回路３の調整弁６は、その一部に関して「第１の調整弁６」と指定される。図６Ａに示されるように、第２の調整弁１１は、アノード回路１０内の第２の設定内圧Ｐ１０^＊を得るために、この例では第１の調整弁６のものと同一の弁アクチュエータ７によって制御される可変通路セクションを備える。ここでは、分かりやすくするために、第１の調整弁６の設定内圧Ｐ_ｉｎｔ ^＊が「第１の設定内圧Ｐ_ｉｎｔ ^＊」と指定される。

【0058】

図６Ｂに示されるように、制御方法は、第２の設定内圧Ｐ１０^＊に達するように第２の調整弁１１を制御するステップＥ４をさらに含み、第２の設定内圧Ｐ１０^＊は：｜Ｐ１０^＊－Ｐ_ｉｎｔ ^＊｜＜Ｓ２を検証し、ここで、Ｓ２は、所定の最大圧力変動閾値を指定する。これにより、燃料電池２の耐用年数を増加させるために、カソード回路とアノード回路との間の圧力差を制限することができる。

【0059】

図７Ａおよび７Ｂを参照すると、本発明の別の好ましい態様によれば、調整弁６の設定内圧Ｐ_ｉｎｔ ^＊を決定するために、燃料電池２の冷却回路９のエネルギーコストが考慮に入れられる。より正確には、制御方法は、カソード回路３の内圧Ｐ_ｉｎｔに応じての冷却回路９の効率Ｒ９の所定のデータから実施される。全体効率Ｒ１は、その一部に関して、燃料電池２の効率Ｒ２、圧縮機４の効率Ｒ４、および冷却回路９の効率Ｒ９に応じている。換言すると、電気生成システム１は、燃料電池２、圧縮機４、および冷却回路９から形成される。

【0060】

図８Ａおよび８Ｂを参照すると、本発明の別の好ましい態様によれば、燃料電池２の所定の効率Ｒ２は、カソード回路３の空気中の酸素レベルＯにも依存する。制御方法はさらに、この例ではガスセンサの形態での専用の測定部材１２を用いて、カソード回路３内の酸素レベルＯを測定するステップＥ０を含む。測定ステップＥ０は、外圧Ｐ_ｅｘｔを測定するステップＥ１と並行して実施され、燃料電池２の効率データＲ２を内圧Ｐ_ｉｎｔのみに応じて書き換えることを可能にする。酸素レベルパラメータを考慮することにより、有利には、設定内圧Ｐ_ｉｎｔ ^＊をより確実で正確に決定することが可能になる。

【0061】

結論として、本発明で提案される内圧Ｐ_ｉｎｔの調整は、燃料電池２の、またはより一般的には電気化学デバイスの電気生成だけでなく、その関連する要素、特に圧縮機４さらには例えば冷却回路９の電力消費も考慮する先例のない全体的な手法に対応する。決定された設定内圧Ｐ_ｉｎｔ ^＊は、有利には、燃料電池２の出力での電気生成から圧縮機４などの関連する要素の電力消費を差し引いた値に基づいて、電気生成システムの全体効率を向上させる。そのような全体的な手法は、内圧Ｐ_ｉｎｔの調整が燃料電池２の性能のみを考慮していた従来技術とは異なる。そのようなグローバルな手法により、特に、圧縮機４のディメンジョニングを低減し、その結果、航空機に搭載される圧縮機４の質量および体積を低減することも可能になる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【国際調査報告】