JP2002343389A - 加湿器を迂回して燃料電池スタックへのガスの電子式バイパス制御 - Google Patents
加湿器を迂回して燃料電池スタックへのガスの電子式バイパス制御Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃料電池スタック用湿度制御システムを提供
する。 【解決手段】 燃料電池スタック（５６）用湿度制御シ
ステム（７５）は、ガス供給源（６０）及び加湿器（５
４）を含む。この加湿器は、出口、及びガス供給源に連
結された入口を有する。燃料電池スタックは、加湿器の
出口に連結された入口を含む。バイパスライン（８０）
及びバルブ（８４）は、燃料電池スタックに進入するガ
スの湿度を制御するため、ガスに加湿器を迂回させる。
バルブは、ガス供給源と加湿器との間で、又は加湿器と
燃料電池スタックとの間で、バイパスラインに配置され
る。バルブは、ガス制限バルブ、スロットルバルブ、又
は指向性バルブである。湿度センサ（７８）が燃料電池
スタックに進入するガスの湿度に基づいて湿度信号を発
生する。湿度センサ及びバルブに接続された制御装置
は、湿度信号に基づいてバルブを制御する。
する。 【解決手段】 燃料電池スタック（５６）用湿度制御シ
ステム（７５）は、ガス供給源（６０）及び加湿器（５
４）を含む。この加湿器は、出口、及びガス供給源に連
結された入口を有する。燃料電池スタックは、加湿器の
出口に連結された入口を含む。バイパスライン（８０）
及びバルブ（８４）は、燃料電池スタックに進入するガ
スの湿度を制御するため、ガスに加湿器を迂回させる。
バルブは、ガス供給源と加湿器との間で、又は加湿器と
燃料電池スタックとの間で、バイパスラインに配置され
る。バルブは、ガス制限バルブ、スロットルバルブ、又
は指向性バルブである。湿度センサ（７８）が燃料電池
スタックに進入するガスの湿度に基づいて湿度信号を発
生する。湿度センサ及びバルブに接続された制御装置
は、湿度信号に基づいてバルブを制御する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に関し、更に詳細には燃料電池スタックの相対湿度を制
御するためのシステム及び方法に関する。
に関し、更に詳細には燃料電池スタックの相対湿度を制
御するためのシステム及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池システムは、様々な用途で電源
として益々多く使用されるようになってきている。更
に、燃料電池システムを車輛で内燃エンジンに代わるも
のとして使用することが提案されてきた。固体−ポリマ
ー−電解質燃料電池は、陽極と陰極との間に挟まれた膜
を含む。電気化学反応により電気を発生するため、水素
（Ｈ２ ）を陽極に供給し、酸素（Ｏ２ ）を陰極に供給
する。幾つかのシステムでは、水素源は改質油即ちリフ
ォーメートであり、酸素（Ｏ２ ）源は空気である。
として益々多く使用されるようになってきている。更
に、燃料電池システムを車輛で内燃エンジンに代わるも
のとして使用することが提案されてきた。固体−ポリマ
ー−電解質燃料電池は、陽極と陰極との間に挟まれた膜
を含む。電気化学反応により電気を発生するため、水素
（Ｈ２ ）を陽極に供給し、酸素（Ｏ２ ）を陰極に供給
する。幾つかのシステムでは、水素源は改質油即ちリフ
ォーメートであり、酸素（Ｏ２ ）源は空気である。
【０００３】第１の電池半分の反応では、水素（Ｈ２
）が陽極で解離することにより水素陽子（Ｈ+ ）及び
電子（ｅ- ）が発生する。膜は陽子伝導性であり、誘電
体である。そのため、陽子が膜を通過すると同時に、電
子は膜の前後に接続された電気負荷を通って流れる。第
２の電池半分の反応では、陰極の酸素（Ｏ２ ）が陽子
（Ｈ+ ）と反応し、電子（ｅ- ）を受け取り、水（Ｈ２
Ｏ）を形成する。
）が陽極で解離することにより水素陽子（Ｈ+ ）及び
電子（ｅ- ）が発生する。膜は陽子伝導性であり、誘電
体である。そのため、陽子が膜を通過すると同時に、電
子は膜の前後に接続された電気負荷を通って流れる。第
２の電池半分の反応では、陰極の酸素（Ｏ２ ）が陽子
（Ｈ+ ）と反応し、電子（ｅ- ）を受け取り、水（Ｈ２
Ｏ）を形成する。
【０００４】効率的に作動するため、及び最大量の電気
を発生するため、燃料電池を適正に加湿しなければなら
ない。適正な湿度範囲を得るため、水素流及び酸素流
は、代表的には、当該技術分野で周知の幾つかの方法の
うちの一つの方法によって加湿される。従来の湿度制御
方法は、一般的には、燃料電池への水素流及び酸素流の
湿度を十分に制御できない。燃料電池に加えられる水分
が多過ぎる場合には、反応ガスが触媒に近付くするのが
妨げられ、これによって、水素と酸素との間の電気化学
的反応が妨げられ、電気の発生を減少する。燃料電池に
提供される水分が少な過ぎる場合には、燃料電池内での
反応に必要な陽子の移動が制限され、燃料電池が物理的
に損傷する。
を発生するため、燃料電池を適正に加湿しなければなら
ない。適正な湿度範囲を得るため、水素流及び酸素流
は、代表的には、当該技術分野で周知の幾つかの方法の
うちの一つの方法によって加湿される。従来の湿度制御
方法は、一般的には、燃料電池への水素流及び酸素流の
湿度を十分に制御できない。燃料電池に加えられる水分
が多過ぎる場合には、反応ガスが触媒に近付くするのが
妨げられ、これによって、水素と酸素との間の電気化学
的反応が妨げられ、電気の発生を減少する。燃料電池に
提供される水分が少な過ぎる場合には、燃料電池内での
反応に必要な陽子の移動が制限され、燃料電池が物理的
に損傷する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】幾つかの従来の燃料電
池システムでは、燃料電池に提供される酸素流を、酸素
及び加湿水の所与の温度で、できるだけ加湿する。これ
らの燃料電池システムは、燃料電池スタックを損傷する
可能性がある乾燥酸素が発生しないようにすることに関
する。燃料電池システムは、過剰に湿潤させた酸素流と
は関連しない。これは、燃料電池スタックを損傷しない
ためである。損傷が起こらないようにするけれども、こ
れらの燃料電池システムは、過剰に湿潤させた酸素流が
燃料電池の性能にとって最適でないため、性能が最適以
下である。従って、乾燥酸素流が燃料電池に行くこと及
び過度に湿潤させた酸素流が燃料電池にいくことの両方
が起こらないようにする燃料電池システムが望ましい。
池システムでは、燃料電池に提供される酸素流を、酸素
及び加湿水の所与の温度で、できるだけ加湿する。これ
らの燃料電池システムは、燃料電池スタックを損傷する
可能性がある乾燥酸素が発生しないようにすることに関
する。燃料電池システムは、過剰に湿潤させた酸素流と
は関連しない。これは、燃料電池スタックを損傷しない
ためである。損傷が起こらないようにするけれども、こ
れらの燃料電池システムは、過剰に湿潤させた酸素流が
燃料電池の性能にとって最適でないため、性能が最適以
下である。従って、乾燥酸素流が燃料電池に行くこと及
び過度に湿潤させた酸素流が燃料電池にいくことの両方
が起こらないようにする燃料電池システムが望ましい。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明による燃料電池用
湿度制御システムは、ガス供給源及び加湿器を含む。加
湿器の入口はガス供給源に連結される。燃料電池は、加
湿器の出口に連結された入口を含む。バイパスライン及
びバルブは、燃料電池の入口に進入するガスの湿度を制
御するため、ガスを加湿器から迂回させる。
湿度制御システムは、ガス供給源及び加湿器を含む。加
湿器の入口はガス供給源に連結される。燃料電池は、加
湿器の出口に連結された入口を含む。バイパスライン及
びバルブは、燃料電池の入口に進入するガスの湿度を制
御するため、ガスを加湿器から迂回させる。
【０００７】本発明の他の特徴では、湿度センサは、燃
料電池に進入するガスの湿度に基づいて湿度信号を発生
する。湿度センサ及びバルブに接続された制御装置がバ
ルブを湿度信号に基づいて制御する。
料電池に進入するガスの湿度に基づいて湿度信号を発生
する。湿度センサ及びバルブに接続された制御装置がバ
ルブを湿度信号に基づいて制御する。
【０００８】本発明の更に別の特徴では、燃料電池の入
口は燃料電池の陰極流ライン及び陽極流ラインのうちの
一方である。バルブは、ガス供給源と加湿器との間、又
は加湿器と燃料電池との間のバイパスラインに配置され
る。バルブは、好ましくは、ガス制限バルブ、スロット
ルバルブ、又は指向性バルブである。
口は燃料電池の陰極流ライン及び陽極流ラインのうちの
一方である。バルブは、ガス供給源と加湿器との間、又
は加湿器と燃料電池との間のバイパスラインに配置され
る。バルブは、好ましくは、ガス制限バルブ、スロット
ルバルブ、又は指向性バルブである。
【０００９】この他の目的、特徴、及び利点は、本明細
書、特許請求の範囲、及び添付図面から容易に明らかに
なるであろう。本発明の様々な特徴及び利点は、以下の
説明及び添付図面を参照することにより、当業者に明ら
かになるであろう。
書、特許請求の範囲、及び添付図面から容易に明らかに
なるであろう。本発明の様々な特徴及び利点は、以下の
説明及び添付図面を参照することにより、当業者に明ら
かになるであろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下の詳細な説明は、単に好まし
い例示の実施例を提供するものであって、本発明の範
囲、適用性、又は形態を限定しようとするものではな
い。というよりもむしろ、好ましい例示の実施例の以下
の詳細な説明は、本発明の好ましい例示の実施例を実施
できるようにするための説明を当業者に提供する。添付
の特許請求の範囲に記載の本発明の精神及び範囲から逸
脱することなく、エレメントの機能及び構成に様々な変
更を行うことができるということは理解されよう。
い例示の実施例を提供するものであって、本発明の範
囲、適用性、又は形態を限定しようとするものではな
い。というよりもむしろ、好ましい例示の実施例の以下
の詳細な説明は、本発明の好ましい例示の実施例を実施
できるようにするための説明を当業者に提供する。添付
の特許請求の範囲に記載の本発明の精神及び範囲から逸
脱することなく、エレメントの機能及び構成に様々な変
更を行うことができるということは理解されよう。
【００１１】本発明の湿度制御システムは、ガスを加湿
器から迂回するため、バイパスライン及びバルブを使用
する。更に多くのガスを迂回させると、ガスの湿度が低
下する。迂回させるガスが少ないとガスの湿度が上昇す
る。湿度制御システムは、個々の燃料電池の又は燃料電
池スタックの湿度を制御できる。ガスは、陽極流ライン
に供給された水素又はリフォーメートであるか或いは陰
極流ラインに供給された空気又は酸素である。
器から迂回するため、バイパスライン及びバルブを使用
する。更に多くのガスを迂回させると、ガスの湿度が低
下する。迂回させるガスが少ないとガスの湿度が上昇す
る。湿度制御システムは、個々の燃料電池の又は燃料電
池スタックの湿度を制御できる。ガスは、陽極流ライン
に供給された水素又はリフォーメートであるか或いは陰
極流ラインに供給された空気又は酸素である。
【００１２】次に図１を参照すると、この図には、膜電
極アッセンブリ（ＭＥＡ）１２を含む燃料電池アッセン
ブリ１０の断面が示してある。好ましくは、膜電極アッ
センブリは、陽子交換膜（ＰＥＭ）である。ＭＥＡ１２
は、膜１４、陰極１６、及び陽極１８を含む。膜１４
は、陰極１６の内面と陽極１８の内面との間に挟まれて
いる。
極アッセンブリ（ＭＥＡ）１２を含む燃料電池アッセン
ブリ１０の断面が示してある。好ましくは、膜電極アッ
センブリは、陽子交換膜（ＰＥＭ）である。ＭＥＡ１２
は、膜１４、陰極１６、及び陽極１８を含む。膜１４
は、陰極１６の内面と陽極１８の内面との間に挟まれて
いる。
【００１３】陰極拡散媒体２０が陰極１６の外面と隣接
して配置されている。陽極拡散媒体２４が陽極１８の外
面と隣接して配置されている。燃料電池アッセンブリ１
０は、陰極流ライン２６及び陽極流ライン２８を更に含
む。陰極流ライン２６は、供給源から酸素（Ｏ２ ）又
は空気を受け取り、陰極拡散媒体２０に差し向ける。陽
極流ライン２８は、供給源から水素（Ｈ２ ）又はリフ
ォーメートを受け取り、陽極拡散媒体２４に差し向け
る。簡潔のため、以下の議論は水素（Ｈ２ ）及び酸素
（Ｏ２ ）に関する。リフォーメート及び空気を使用し
てもよいということは当業者には理解されよう。
して配置されている。陽極拡散媒体２４が陽極１８の外
面と隣接して配置されている。燃料電池アッセンブリ１
０は、陰極流ライン２６及び陽極流ライン２８を更に含
む。陰極流ライン２６は、供給源から酸素（Ｏ２ ）又
は空気を受け取り、陰極拡散媒体２０に差し向ける。陽
極流ライン２８は、供給源から水素（Ｈ２ ）又はリフ
ォーメートを受け取り、陽極拡散媒体２４に差し向け
る。簡潔のため、以下の議論は水素（Ｈ２ ）及び酸素
（Ｏ２ ）に関する。リフォーメート及び空気を使用し
てもよいということは当業者には理解されよう。
【００１４】燃料電池アッセンブリ１０では、膜１４は
陽イオン透過性で陽子伝導性の膜であり、Ｈ+ イオンを
移動イオン即ちモバイル（ｍｏｂｉｌｅ）イオンとす
る。燃料ガスは水素（Ｈ２ ）であり、酸化体は酸素
（Ｏ２ ）である。燃料電池の全体反応は、水素を酸化
して水にする反応であり、陽極１８及び陰極１６での夫
々の反応は以下の通りである。
陽イオン透過性で陽子伝導性の膜であり、Ｈ+ イオンを
移動イオン即ちモバイル（ｍｏｂｉｌｅ）イオンとす
る。燃料ガスは水素（Ｈ２ ）であり、酸化体は酸素
（Ｏ２ ）である。燃料電池の全体反応は、水素を酸化
して水にする反応であり、陽極１８及び陰極１６での夫
々の反応は以下の通りである。
【００１５】Ｈ２ ＝２Ｈ+ ＋２ｅ- ０．５Ｏ２ ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- ＝Ｈ２ Ｏ 水素が燃料ガスとして使用されるため、燃料電池の全反
応の生成物は水である。代表的には、生成された水は、
酸素側に電気触媒層を持つ多孔質電極である陰極１６で
除去される。水は形成されると集められ、燃料電池アッ
センブリ１０のＭＥＡ１２から任意の従来の方法で運び
去られる。電池の反応により、陽極拡散媒体２４から陰
極拡散媒体２０に向かう方向で陽子交換が行われる。こ
のようにして、燃料電池アッセンブリ１０は電気を発生
する。電気負荷３０がＭＥＡの前後でプレート３２及び
プレート３４に接続されている。プレート３２及び３４
が別の燃料電池と隣接している場合には、これらのプレ
ート３２及び／又は３４は二極性である。別の燃料電池
が隣接して設けられていない場合には、これらのプレー
ト３２及び／又は３４は端プレートである。
応の生成物は水である。代表的には、生成された水は、
酸素側に電気触媒層を持つ多孔質電極である陰極１６で
除去される。水は形成されると集められ、燃料電池アッ
センブリ１０のＭＥＡ１２から任意の従来の方法で運び
去られる。電池の反応により、陽極拡散媒体２４から陰
極拡散媒体２０に向かう方向で陽子交換が行われる。こ
のようにして、燃料電池アッセンブリ１０は電気を発生
する。電気負荷３０がＭＥＡの前後でプレート３２及び
プレート３４に接続されている。プレート３２及び３４
が別の燃料電池と隣接している場合には、これらのプレ
ート３２及び／又は３４は二極性である。別の燃料電池
が隣接して設けられていない場合には、これらのプレー
ト３２及び／又は３４は端プレートである。
【００１６】効率的に作動するため、及び最大量の電気
を発生するため、燃料電池アッセンブリ１０に適正な湿
度を提供しなければならない。代表的には、陰極流ライ
ン２６に供給される酸素流及び／又は陽極流ライン２８
に供給される水素流には、当該技術分野で周知の幾つか
の方法のうちの一つの方法で湿度が与えられる。一般的
な方法では、陽極ガス及び／又は陰極ガスは、燃料電池
に差し向けられる前に膜加湿器に差し向けられる。加湿
器は、燃料電池の外部にあってもよいし、燃料電池スタ
ック内に設けられていてもよい。別の方法では、米国特
許第５，９３５，７２５号及び米国特許第５，９５２，
１１９号に開示されているように、水を毛管作用で吸い
上げる材料を使用することにより加湿することもでき
る。これらの特許に触れたことにより、これらの特許に
開示されている内容は本明細書中に組入れたものとす
る。この材料により、水がリザーバからＭＥＡ１２に差
し向けられる。別の態様では、水（Ｈ２ Ｏ）の蒸気又
はミストを陰極流れ及び陽極流れの両方に注入してこれ
らの流れを燃料電池スタックの上流で又は内部で加湿す
るのがよい。更に別の方法では、酸素流を陽極流ライン
２８の上流で水素流に注入し、少量の水素と反応させて
水を発生し、水素流を加湿するのがよい。同様に、水素
流を酸素流に注入して酸素流を加湿する水を発生するの
がよい。
を発生するため、燃料電池アッセンブリ１０に適正な湿
度を提供しなければならない。代表的には、陰極流ライ
ン２６に供給される酸素流及び／又は陽極流ライン２８
に供給される水素流には、当該技術分野で周知の幾つか
の方法のうちの一つの方法で湿度が与えられる。一般的
な方法では、陽極ガス及び／又は陰極ガスは、燃料電池
に差し向けられる前に膜加湿器に差し向けられる。加湿
器は、燃料電池の外部にあってもよいし、燃料電池スタ
ック内に設けられていてもよい。別の方法では、米国特
許第５，９３５，７２５号及び米国特許第５，９５２，
１１９号に開示されているように、水を毛管作用で吸い
上げる材料を使用することにより加湿することもでき
る。これらの特許に触れたことにより、これらの特許に
開示されている内容は本明細書中に組入れたものとす
る。この材料により、水がリザーバからＭＥＡ１２に差
し向けられる。別の態様では、水（Ｈ２ Ｏ）の蒸気又
はミストを陰極流れ及び陽極流れの両方に注入してこれ
らの流れを燃料電池スタックの上流で又は内部で加湿す
るのがよい。更に別の方法では、酸素流を陽極流ライン
２８の上流で水素流に注入し、少量の水素と反応させて
水を発生し、水素流を加湿するのがよい。同様に、水素
流を酸素流に注入して酸素流を加湿する水を発生するの
がよい。
【００１７】次に図２を参照すると、この図には、燃料
電池スタック５６の陰極流ライン２６及び／又は陽極流
ライン２８に流れるガスを加湿する加湿器５４を含む従
来技術による湿度制御システム５０が示してある。燃料
電池スタックのガス出口５８は、燃焼器（図示せず）又
は他の装置への流れラインである。加湿器５４は、ガス
供給源６０に供給された空気、酸素、水素、又はリフォ
ーメート等のガスの湿度を上昇する。ガスは、代表的に
は、コンプレッサー（図示せず）によってガス供給源６
０に供給される。湿度制御システム５０は、乾燥したガ
スが燃料電池スタック５６に届かないようにするけれど
も、湿度制御システム５０は、水分を過剰に含んだガス
流を提供する傾向がある。これは、燃料電池スタック５
６の性能を低下させる。
電池スタック５６の陰極流ライン２６及び／又は陽極流
ライン２８に流れるガスを加湿する加湿器５４を含む従
来技術による湿度制御システム５０が示してある。燃料
電池スタックのガス出口５８は、燃焼器（図示せず）又
は他の装置への流れラインである。加湿器５４は、ガス
供給源６０に供給された空気、酸素、水素、又はリフォ
ーメート等のガスの湿度を上昇する。ガスは、代表的に
は、コンプレッサー（図示せず）によってガス供給源６
０に供給される。湿度制御システム５０は、乾燥したガ
スが燃料電池スタック５６に届かないようにするけれど
も、湿度制御システム５０は、水分を過剰に含んだガス
流を提供する傾向がある。これは、燃料電池スタック５
６の性能を低下させる。
【００１８】次に図３を参照すると、この図では、同様
のエレメントを示す上で適当である場合には、図２で使
用したのと同じ参照番号が使用してある。本発明による
湿度制御システム７５は、加湿器５４を出るガスの相対
湿度を計測する湿度センサ７８を更に含む。好ましく
は、湿度センサ７８は、ハネウェル社が販売しているＸ
１１２４２８−ＧＴである。他の種類の湿度センサを使
用してもよい。湿度センサ７８は、仮想センサ（ソフト
ウェアであってハードウェアでない）であってもよい。
来入ガスの湿度を予測する特徴を持つ性能をスタックが
備えている場合には、湿度を直接計測するのでなく、計
算できる。湿度制御システム７５は、陰極流ライン２６
への空気又は酸素、又は陽極流ライン２８への水素又は
リフォーメートの湿度を制御するのに使用できる。ガス
バイパスは、一端がバルブ８４に連結されたバイパスラ
イン８０を含む。バイパスライン８０の他端は、ガス供
給源６０と加湿器５４の入口との間に連結される。バル
ブ８４は、更に、バイパスライン８６の一端にも連結さ
れる。バイパスライン８６の他端は、加湿器５４の出口
と湿度センサ７８との間に連結される。湿度制御装置９
０が湿度センサ７８とバルブ８４との間に接続される。
湿度制御装置９０は、湿度信号に基づいてバルブ８４の
位置を変化させる、特定用途用集積回路（ＡＳＩＣ）、
オフザシェルフ制御装置作動ソフトウェア、又は任意の
他の適当な制御回路等の電子回路であるのがよい。好ま
しくは、バルブ８４がガス制限バルブである。非常に好
ましい実施例では、バルブ８４は、内燃エンジンで使用
される従来のスロットルバルブと同様のバルブである。
のエレメントを示す上で適当である場合には、図２で使
用したのと同じ参照番号が使用してある。本発明による
湿度制御システム７５は、加湿器５４を出るガスの相対
湿度を計測する湿度センサ７８を更に含む。好ましく
は、湿度センサ７８は、ハネウェル社が販売しているＸ
１１２４２８−ＧＴである。他の種類の湿度センサを使
用してもよい。湿度センサ７８は、仮想センサ（ソフト
ウェアであってハードウェアでない）であってもよい。
来入ガスの湿度を予測する特徴を持つ性能をスタックが
備えている場合には、湿度を直接計測するのでなく、計
算できる。湿度制御システム７５は、陰極流ライン２６
への空気又は酸素、又は陽極流ライン２８への水素又は
リフォーメートの湿度を制御するのに使用できる。ガス
バイパスは、一端がバルブ８４に連結されたバイパスラ
イン８０を含む。バイパスライン８０の他端は、ガス供
給源６０と加湿器５４の入口との間に連結される。バル
ブ８４は、更に、バイパスライン８６の一端にも連結さ
れる。バイパスライン８６の他端は、加湿器５４の出口
と湿度センサ７８との間に連結される。湿度制御装置９
０が湿度センサ７８とバルブ８４との間に接続される。
湿度制御装置９０は、湿度信号に基づいてバルブ８４の
位置を変化させる、特定用途用集積回路（ＡＳＩＣ）、
オフザシェルフ制御装置作動ソフトウェア、又は任意の
他の適当な制御回路等の電子回路であるのがよい。好ま
しくは、バルブ８４がガス制限バルブである。非常に好
ましい実施例では、バルブ８４は、内燃エンジンで使用
される従来のスロットルバルブと同様のバルブである。
【００１９】湿度センサ７８が検出した湿度が第１の所
定レベルを越えた場合又は第２の所定レベル以下に低下
している場合には、ガスバイパスを使用してガスのバイ
パス部分を変化させる。バルブ８４を制御することによ
って、バイパスされるガスの量を制御できる。制御方法
は、ラインの大きさ、加湿器５４の特徴、及びバルブ８
４の特徴で決まる。一般的には、長い又は広幅のバルブ
８４を開放すると、加湿器５４を迂回するガスが多くな
り、加湿されない。内燃エンジンで使用されているよう
な大量生産の高度のガス制限バルブ又はスロットルバル
ブを使用することによって、湿度制御システム７５が安
価になり、信頼性が向上する。更に、バルブ８４をガス
バイパスに配置することによって、フェイル−セーフ作
動を可能にする。換言すると、バルブ８４が故障する
と、ガスは加湿器５４を通って流れる。乾燥ガス流は燃
料電池スタック５６について危険であるのに対し、過剰
に水分を含むガス流はシステム性能を低下するけれども
燃料電池スタック５６を損傷しない。
定レベルを越えた場合又は第２の所定レベル以下に低下
している場合には、ガスバイパスを使用してガスのバイ
パス部分を変化させる。バルブ８４を制御することによ
って、バイパスされるガスの量を制御できる。制御方法
は、ラインの大きさ、加湿器５４の特徴、及びバルブ８
４の特徴で決まる。一般的には、長い又は広幅のバルブ
８４を開放すると、加湿器５４を迂回するガスが多くな
り、加湿されない。内燃エンジンで使用されているよう
な大量生産の高度のガス制限バルブ又はスロットルバル
ブを使用することによって、湿度制御システム７５が安
価になり、信頼性が向上する。更に、バルブ８４をガス
バイパスに配置することによって、フェイル−セーフ作
動を可能にする。換言すると、バルブ８４が故障する
と、ガスは加湿器５４を通って流れる。乾燥ガス流は燃
料電池スタック５６について危険であるのに対し、過剰
に水分を含むガス流はシステム性能を低下するけれども
燃料電池スタック５６を損傷しない。
【００２０】次に図４のＡを参照すると、この図では、
同様のエレメントを示す上で適当である場合には、図３
で使用したのと同じ参照番号が使用してある。燃料電池
スタック５６用の変形例の湿度制御システム９８を示
す。バルブ１００がガス供給源６０と加湿器５４の入口
との間に位置決めされている。好ましくは、バルブ１０
０は指向性バルブである。バイパスライン１０４の一端
がバルブ１００に連結されている。バイパスライン１０
４の他端は、加湿器５４と湿度センサ７８との間に連結
されている。制御装置９０は、湿度センサ７８及びバル
ブ１００に連結されている。変形例の湿度制御システム
９８の作動原理は、図３と関連して上文中に説明したの
と同じである。しかしながら、バルブ１００は、ガス流
を制限する代わりに、空気を二つの異なる流路間に差し
向けるのである。一方の流路は、加湿器５４、湿度セン
サ７８、及び燃料電池スタック５６を通って延びる。他
方の流路は加湿器５４を迂回し、湿度センサ７８及び燃
料電池スタック５６を通って延びる。二つの流路を流れ
るガスの量を制御することによって、ガスの湿度を制御
する。
同様のエレメントを示す上で適当である場合には、図３
で使用したのと同じ参照番号が使用してある。燃料電池
スタック５６用の変形例の湿度制御システム９８を示
す。バルブ１００がガス供給源６０と加湿器５４の入口
との間に位置決めされている。好ましくは、バルブ１０
０は指向性バルブである。バイパスライン１０４の一端
がバルブ１００に連結されている。バイパスライン１０
４の他端は、加湿器５４と湿度センサ７８との間に連結
されている。制御装置９０は、湿度センサ７８及びバル
ブ１００に連結されている。変形例の湿度制御システム
９８の作動原理は、図３と関連して上文中に説明したの
と同じである。しかしながら、バルブ１００は、ガス流
を制限する代わりに、空気を二つの異なる流路間に差し
向けるのである。一方の流路は、加湿器５４、湿度セン
サ７８、及び燃料電池スタック５６を通って延びる。他
方の流路は加湿器５４を迂回し、湿度センサ７８及び燃
料電池スタック５６を通って延びる。二つの流路を流れ
るガスの量を制御することによって、ガスの湿度を制御
する。
【００２１】図４のＢを参照すると、この図では、同様
のエレメントを示す上で適当である場合には、図４のＡ
で使用したのと同じ参照番号が使用してある。燃料電池
スタック５６用の変形例の湿度制御システム１１０が示
してある。バルブ１００は、加湿器５４と湿度センサ７
８との間に位置決めされる。バイパスライン１１４の一
端はバルブ１００に連結されている。バイパスライン１
１４の他端はガス供給源６０と加湿器５４の入口との間
に連結される。制御装置９０は、湿度センサ７８及びバ
ルブ１００に連結されている。変形例の湿度制御システ
ム１１０の作動原理は、図４のＡと関連して上文中に説
明したのと同じである。
のエレメントを示す上で適当である場合には、図４のＡ
で使用したのと同じ参照番号が使用してある。燃料電池
スタック５６用の変形例の湿度制御システム１１０が示
してある。バルブ１００は、加湿器５４と湿度センサ７
８との間に位置決めされる。バイパスライン１１４の一
端はバルブ１００に連結されている。バイパスライン１
１４の他端はガス供給源６０と加湿器５４の入口との間
に連結される。制御装置９０は、湿度センサ７８及びバ
ルブ１００に連結されている。変形例の湿度制御システ
ム１１０の作動原理は、図４のＡと関連して上文中に説
明したのと同じである。
【００２２】次に図５のＡを参照すると、この図では、
同様のエレメントを示す上で適当である場合には、図３
で使用したのと同じ参照番号が使用してある。燃料電池
スタック５６用の変形例の湿度制御システム１２０が示
してある。バルブ８４は、ガス供給源６０と加湿器５４
の入口との間に位置決めされる。バイパスライン１２４
の一端は、ガス供給源６０とバルブ８４との間に連結さ
れる。バイパスライン１２４の他端は、加湿器５４の出
口と湿度センサ７８との間に連結されている。制御装置
９０は、湿度センサ７８及びバルブ８４に連結されてい
る。変形例の湿度制御システム１２０の作動原理は、図
３と関連して上文中に説明したのと同じである。
同様のエレメントを示す上で適当である場合には、図３
で使用したのと同じ参照番号が使用してある。燃料電池
スタック５６用の変形例の湿度制御システム１２０が示
してある。バルブ８４は、ガス供給源６０と加湿器５４
の入口との間に位置決めされる。バイパスライン１２４
の一端は、ガス供給源６０とバルブ８４との間に連結さ
れる。バイパスライン１２４の他端は、加湿器５４の出
口と湿度センサ７８との間に連結されている。制御装置
９０は、湿度センサ７８及びバルブ８４に連結されてい
る。変形例の湿度制御システム１２０の作動原理は、図
３と関連して上文中に説明したのと同じである。
【００２３】次に図５のＢを参照すると、この図では、
同様のエレメントを示す上で適当である場合には、図３
で使用したのと同じ参照番号が使用してある。燃料電池
スタック５６用の変形例の湿度制御システム１３０が示
してある。バルブ８４は、加湿器５４の出口と湿度セン
サ７８との間に位置決めされている。バイパスライン１
３４の一端は、ガス供給源６０と加湿器５４の入口との
間に連結されている。バイパスライン１３４の他端は、
バルブ８４と湿度センサ７８との間に連結されている。
制御装置９０は湿度センサ７８及びバルブ８４に連結さ
れている。変形例の湿度制御システム９８の作動原理
は、図３と関連して上文中に説明したのと同じである。
同様のエレメントを示す上で適当である場合には、図３
で使用したのと同じ参照番号が使用してある。燃料電池
スタック５６用の変形例の湿度制御システム１３０が示
してある。バルブ８４は、加湿器５４の出口と湿度セン
サ７８との間に位置決めされている。バイパスライン１
３４の一端は、ガス供給源６０と加湿器５４の入口との
間に連結されている。バイパスライン１３４の他端は、
バルブ８４と湿度センサ７８との間に連結されている。
制御装置９０は湿度センサ７８及びバルブ８４に連結さ
れている。変形例の湿度制御システム９８の作動原理
は、図３と関連して上文中に説明したのと同じである。
【００２４】陽極流ライン及び陰極流ラインに供給され
るガスの湿度を変化させるためにバイパスライン及びバ
ルブを本発明に従って使用することにより、多くの大き
な利点が得られる。ガスが加湿器を迂回することにより
ガスの相対湿度レベルを積極的に制御する。加湿を制御
することにより、燃料電池システム全体で必要とされる
生成水の量を減少する。本発明による湿度制御システム
により、ラジエータを小さくできる。これは、湿度レベ
ルを制御することによって行われる。換言すると、燃料
電池システムは、水中立（ｗａｔｅｒ ｎｅｕｔｒａ
ｌ）であることを必要とする。ガス流に水分を過剰に加
えると、復水器を使用して回収する必要がある水の量が
多くなる。更に多くの水を凝縮するため、更に多くの車
輛クーラントが復水器のところで更に多くのエネルギを
吸収する。従って、車輛クーラントは、更に、ラジエー
タのところで更に多くの熱を放出する必要がある。その
結果、大型のラジエータが必要とされる。
るガスの湿度を変化させるためにバイパスライン及びバ
ルブを本発明に従って使用することにより、多くの大き
な利点が得られる。ガスが加湿器を迂回することにより
ガスの相対湿度レベルを積極的に制御する。加湿を制御
することにより、燃料電池システム全体で必要とされる
生成水の量を減少する。本発明による湿度制御システム
により、ラジエータを小さくできる。これは、湿度レベ
ルを制御することによって行われる。換言すると、燃料
電池システムは、水中立（ｗａｔｅｒ ｎｅｕｔｒａ
ｌ）であることを必要とする。ガス流に水分を過剰に加
えると、復水器を使用して回収する必要がある水の量が
多くなる。更に多くの水を凝縮するため、更に多くの車
輛クーラントが復水器のところで更に多くのエネルギを
吸収する。従って、車輛クーラントは、更に、ラジエー
タのところで更に多くの熱を放出する必要がある。その
結果、大型のラジエータが必要とされる。
【００２５】更に、加湿器を迂回させることにより、圧
力の変化（ρＰ）がこれまで経験したよりも小さくな
る。加湿器を通る流量が小さくなればなる程、作動圧力
を低くできる。ρＰが小さいと、加湿器設計の融通性が
大きくなる。この融通性により、一般的には、加湿器が
小型になり、安価になる。
力の変化（ρＰ）がこれまで経験したよりも小さくな
る。加湿器を通る流量が小さくなればなる程、作動圧力
を低くできる。ρＰが小さいと、加湿器設計の融通性が
大きくなる。この融通性により、一般的には、加湿器が
小型になり、安価になる。
【００２６】以上の説明から、本発明の広範に亘る教示
を様々な形態で実施できるということは、当業者には理
解されよう。従って、本発明をその特定の例と関連して
説明したけれども、これは本発明の真の範囲を限定する
ものではない。これは、添付図面、本明細書、及び特許
請求の範囲を検討することにより、他の変更が当業者に
明らかになるためである。
を様々な形態で実施できるということは、当業者には理
解されよう。従って、本発明をその特定の例と関連して
説明したけれども、これは本発明の真の範囲を限定する
ものではない。これは、添付図面、本明細書、及び特許
請求の範囲を検討することにより、他の変更が当業者に
明らかになるためである。
【図１】例示の燃料電池の膜電極アッセンブリの断面図
である。
である。
【図２】従来技術による燃料電池スタック用湿度制御シ
ステムを示す概略ブロックダイヤグラムである。
ステムを示す概略ブロックダイヤグラムである。
【図３】バルブが設けられたバイパスラインを備えた燃
料電池スタック用第１湿度制御システムの概略ブロック
ダイヤグラムである。
料電池スタック用第１湿度制御システムの概略ブロック
ダイヤグラムである。
【図４】Ａは、バルブがガス供給源と加湿器との間に配
置された燃料電池スタック用第２湿度制御システムを示
す概略ブロックダイヤグラムであり、Ｂは、バルブが加
湿器と湿度センサとの間に配置された燃料電池スタック
用第３湿度制御システムを示す概略ブロックダイヤグラ
ムである。
置された燃料電池スタック用第２湿度制御システムを示
す概略ブロックダイヤグラムであり、Ｂは、バルブが加
湿器と湿度センサとの間に配置された燃料電池スタック
用第３湿度制御システムを示す概略ブロックダイヤグラ
ムである。
【図５】Ａは、バルブがガス供給源と加湿器との間に配
置された燃料電池スタック用第４湿度制御システムを示
す概略ブロックダイヤグラムであり、Ｂは、バルブが加
湿器と湿度センサとの間に配置された燃料電池スタック
用第５湿度制御システムを示す概略ブロックダイヤグラ
ムである。
置された燃料電池スタック用第４湿度制御システムを示
す概略ブロックダイヤグラムであり、Ｂは、バルブが加
湿器と湿度センサとの間に配置された燃料電池スタック
用第５湿度制御システムを示す概略ブロックダイヤグラ
ムである。
１０ 燃料電池アッセンブリ １２ 膜電極アッセンブリ １４ 膜 １６ 陰極 １８ 陽極 ２０ 陰極拡散媒体 ２４ 陽極拡散媒体 ２６ 陰極流ライン ２８ 陽極流ライン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブルース・ジェイ・クリンジャーマン アメリカ合衆国ニューヨーク州14522，パ ルマイラ，21 ノース 1855 (72)発明者 マット・ケイ・ホートップ アメリカ合衆国ニューヨーク州14623，ロ チェスター，ウィントン・ロード・サウス 3246，アパートメント 512 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 KK31 MM04 MM09
Claims (25)
- 【請求項１】 燃料電池スタック用湿度制御システムに
おいて、 ガス供給源、 前記ガス供給源に連結された入口及び出口を持つ加湿
器、 入口が前記加湿器の前記出口に連結された燃料電池スタ
ック、 一端が前記ガス供給源と前記加湿器との間に連結されて
おり且つ他端が前記加湿器の前記出口と前記燃料電池ス
タックの前記入口との間に連結されたバイパスライン、
及び前記バイパスラインに配置されたバルブを含む、湿
度制御システム。 - 【請求項２】 請求項１に記載の湿度制御システムにお
いて、前記バルブはガス制限バルブ及びスロットルバル
ブのうちの一方である、湿度制御システム。 - 【請求項３】 請求項１に記載の湿度制御システムにお
いて、前記バルブは、前記ガス供給源から前記加湿器を
通って前記燃料電池スタックに流れるガスの量及び前記
バイパスラインを通って前記燃料電池スタックに流れる
ガスの量を制御する、湿度制御システム。 - 【請求項４】 請求項１に記載の湿度制御システムにお
いて、前記燃料電池スタックに進入するガスの湿度に基
づいて湿度信号を発生するための湿度センサ、及び前記
バルブを前記湿度信号に基づいて制御するため、前記湿
度センサ及び前記バルブに連結された制御装置を含む、
湿度制御システム。 - 【請求項５】 請求項１に記載の湿度制御システムにお
いて、前記燃料電池スタックの前記入口は、前記燃料電
池スタックの陰極流ライン及び陽極流ラインのうちの一
方である、湿度制御システム。 - 【請求項６】 燃料電池スタック用湿度制御システムに
おいて、 ガス供給源、 前記ガス供給源に連結された入口及び出口を持つ加湿
器、 入口が前記加湿器の前記出口に連結された燃料電池スタ
ック、 前記ガス供給源と前記加湿器の前記入口との間に配置さ
れたバルブ、及び一端が前記バルブに連結されており且
つ他端が前記加湿器の前記出口と前記燃料電池スタック
の前記入口との間に連結されたバイパスラインを含む、
湿度制御システム。 - 【請求項７】 請求項６に記載の湿度制御システムにお
いて、前記バルブは指向性バルブである、湿度制御シス
テム。 - 【請求項８】 請求項６に記載の湿度制御システムにお
いて、前記バルブは、前記ガス供給源から前記加湿器を
通って前記燃料電池スタックに流れるガスの量及び前記
バイパスラインを通って前記燃料電池スタックに流れる
ガスの量を制御する、湿度制御システム。 - 【請求項９】 請求項６に記載の湿度制御システムにお
いて、前記燃料電池スタックに進入するガスの湿度に基
づいて湿度信号を発生するための湿度センサ、及び前記
バルブを前記湿度信号に基づいて制御するため、前記湿
度センサ及び前記バルブに連結された制御装置を含む、
湿度制御システム。 - 【請求項１０】 請求項６に記載の湿度制御システムに
おいて、前記燃料電池スタックの前記入口は、前記燃料
電池スタックの陰極流ライン及び陽極流ラインのうちの
一方である、湿度制御システム。 - 【請求項１１】 燃料電池スタック用湿度制御システム
において、 ガス供給源、 前記ガス供給源に連結された入口及び出口を持つ加湿
器、 入口が前記加湿器の前記出口に連結された燃料電池スタ
ック、 前記加湿器の前記出口と前記燃料電池スタックの前記入
口との間に配置されたバルブ、及び一端が前記バルブに
連結されており且つ他端が前記ガス供給源と前記加湿器
の前記入口との間に連結されたバイパスラインを含む、
湿度制御システム。 - 【請求項１２】 請求項１１に記載の湿度制御システム
において、前記バルブは指向性バルブである、湿度制御
システム。 - 【請求項１３】 請求項１１に記載の湿度制御システム
において、前記バルブは、前記ガス供給源から前記加湿
器を通って前記燃料電池スタックに流れるガスの量及び
前記バイパスラインを通って前記燃料電池スタックに流
れるガスの量を制御する、湿度制御システム。 - 【請求項１４】 請求項１１に記載の湿度制御システム
において、前記燃料電池スタックに進入するガスの湿度
に基づいて湿度信号を発生するための湿度センサ、及び
前記バルブを前記湿度信号に基づいて制御するため、前
記湿度センサ及び前記バルブに連結された制御装置を含
む、湿度制御システム。 - 【請求項１５】 請求項１１に記載の湿度制御システム
において、前記燃料電池スタックの前記入口は、前記燃
料電池スタックの陰極流ライン及び陽極流ラインのうち
の一方である、湿度制御システム。 - 【請求項１６】 燃料電池スタック用湿度制御システム
において、 ガス供給源、 前記ガス供給源に連結された入口及び出口を持つ加湿
器、 第２入口が前記加湿器の前記出口に連結された燃料電池
スタック、 前記ガス供給源と前記加湿器の前記入口との間に配置さ
れたバルブ、及び一端が前記ガス供給源と前記バルブと
の間に連結されており且つ他端が前記加湿器の前記出口
と前記燃料電池スタックの前記入口との間に連結された
バイパスラインを含む、湿度制御システム。 - 【請求項１７】 請求項１６に記載の湿度制御システム
において、前記バルブはガス制限バルブ及びスロットル
バルブのうちの一方である、湿度制御システム。 - 【請求項１８】 請求項１６に記載の湿度制御システム
において、前記バルブは、前記ガス供給源から前記加湿
器を通って前記燃料電池スタックに流れるガスの量及び
前記バイパスラインを通って前記燃料電池スタックに流
れるガスの量を制御する、湿度制御システム。 - 【請求項１９】 請求項１６に記載の湿度制御システム
において、前記燃料電池スタックに進入するガスの湿度
に基づいて湿度信号を発生するための湿度センサ、及び
前記バルブを前記湿度信号に基づいて制御するため、前
記湿度センサ及び前記バルブに連結された制御装置を含
む、湿度制御システム。 - 【請求項２０】 請求項１６に記載の湿度制御システム
において、前記燃料電池スタックの前記入口は、前記燃
料電池スタックの陰極流ライン及び陽極流ラインのうち
の一方である、湿度制御システム。 - 【請求項２１】 燃料電池スタック用湿度制御システム
において、 ガス供給源、 前記ガス供給源に連結された入口及び出口を持つ加湿
器、 入口が前記加湿器の前記出口に連結された燃料電池スタ
ック、 前記加湿器の前記出口と前記燃料電池スタックの前記入
口との間に配置されたバルブ、及び一端が前記バルブと
前記燃料電池スタックの前記入口との間に連結されてお
り且つ他端が前記ガス供給源と前記加湿器の前記入口と
の間に連結されたバイパスラインを含む、湿度制御シス
テム。 - 【請求項２２】 請求項２１に記載の湿度制御システム
において、前記バルブはガス制限バルブ及びスロットル
バルブのうちの一方である、湿度制御システム。 - 【請求項２３】 請求項２１に記載の湿度制御システム
において、前記バルブは、前記ガス供給源から前記加湿
器を通って前記燃料電池スタックに流れるガスの量及び
前記バイパスラインを通って前記燃料電池スタックに流
れるガスの量を制御する、湿度制御システム。 - 【請求項２４】 請求項２１に記載の湿度制御システム
において、前記燃料電池スタックに進入するガスの湿度
に基づいて湿度信号を発生するための湿度センサ、及び
前記バルブを前記湿度信号に基づいて制御するため、前
記湿度センサ及び前記バルブに連結された制御装置を含
む、湿度制御システム。 - 【請求項２５】 請求項２１に記載の湿度制御システム
において、前記燃料電池スタックの前記入口は、前記燃
料電池スタックの陰極流ライン及び陽極流ラインのうち
の一方である、湿度制御システム。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/848509 | 2001-05-03 | ||
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