(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の相対湿度を検出するためのシステムにおいて、
ガス流の相対湿度を検出し、相対湿度信号を発生する湿度センサ、
前記ガス流の圧力を検出し、圧力信号を発生する第１センサ、及び
前記湿度センサ及び前記第１センサに接続されており、前記相対湿度信号及び前記圧力信号に基づいて補償された相対湿度信号を発生する補償装置を含む、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、
加湿器、及び、
前記補償された相対湿度信号に基づいて前記ガス流の相対湿度を上昇させるため、前記補償装置及び前記加湿器に接続された制御装置を更に含む、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記ガス流は、改質源及び水素源のうちの一方によって前記燃料電池の陽極に提供される、システム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記ガス流は、空気源及び酸素源のうちの一方によって前記燃料電池の陰極に提供される、システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記補償装置は、参照用テーブルを記憶したメモリーを含む、システム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記補償装置は、前記補償された相対湿度信号を決定するため、算術式を使用する、システム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記ガス流中の第１ガスの濃度を検出し、第１ガス濃度信号を発生するためのガス組成センサを更に含む、システム。
【請求項８】
請求項７に記載のシステムにおいて、前記補償装置は前記ガス組成センサに接続されており、前記補償された相対湿度信号は、前記相対湿度信号、前記圧力信号、及び前記第１ガス組成信号に基づく、システム。
【請求項９】
請求項７に記載のシステムにおいて、前記第１ガスは窒素、一酸化炭素、及び二酸化炭素のうちの一つである、システム。
【請求項１０】
燃料電池の相対湿度を検出するためのシステムにおいて、
ガス流の相対湿度を検出し、湿度信号を発生する湿度センサ、
前記ガス流中の第１ガスの濃度を検出し、第１ガス組成信号を発生するためのガス組成センサ、及び
前記湿度センサ及び前記温度センサに接続されており、補償された相対湿度信号を前記相対湿度信号及び前記第１ガス組成信号に基づいて発生する補償装置を含む、システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムにおいて、前記ガス流の圧力に基づいて圧力信号を発生する圧力センサを更に含む、システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムにおいて、前記補償装置は前記圧力センサに接続されており、前記補償された相対湿度信号は、前記相対湿度信号、前記第１ガス補償信号、及び前記圧力信号に基づいている、システム。
【請求項１３】
請求項１０に記載のシステムにおいて、
加湿器、及び
前記ガス流の前記相対湿度を前記補償された相対湿度信号に基づいて高めるため、前記補償回路及び前記加湿器に接続された制御装置を更に含む、システム。
【請求項１４】
請求項１０に記載のシステムにおいて、前記ガス流は、改質源及び水素源のうちの一方によって前記燃料電池の陽極に提供される、システム。
【請求項１５】
請求項１０に記載のシステムにおいて、前記ガス流は、空気源及び酸素源のうちの一方によって前記燃料電池の陰極に提供される、システム。
【請求項１６】
請求項１０に記載のシステムにおいて、前記補償装置は、前記補償された相対湿度信号を発生するのに使用される参照用テーブルを記憶したメモリーを含む、システム。
【請求項１７】
請求項１０に記載のシステムにおいて、前記補償装置は算術式を使用し、これらの算術式は、前記補償された相対湿度信号を発生するのに使用される、システム。
【請求項１８】
請求項１０に記載のシステムにおいて、
前記ガス流の温度を検出し、温度信号を発生する温度センサを更に含む、システム。
【請求項１９】
請求項１８に記載のシステムにおいて、前記補償装置は前記温度センサに接続されており、前記補償された相対湿度信号は、前記相対湿度信号、前記第１ガス補償信号、及び前記温度信号に基づく、システム。
【請求項２０】
請求項１０に記載のシステムにおいて、前記第１ガスは窒素、一酸化炭素、及び二酸化炭素のうちの一つである、システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池に関し、更に詳細には、燃料電池の相対湿度センサが出力した相対湿度信号を圧力、温度、及びガス組成の変化に関して補償するためのシステム及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、様々な異なる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、燃料電池を内燃エンジンの代わりに電気自動車の動力プラントで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。
【０００３】
第１の半電池の反応では、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の半電池の反応では、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】
効率的な作動及び最大量の電気の生成のため、燃料電池は適正に加湿されなければならない。適正な湿度範囲を得るため、水素流及び空気流は、典型的には、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空気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のが妨げられ、これによって、水素と空気との間の電気化学的反応が妨げられ、電気の発生が減少する。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る。
【０００５】
「燃料電池の湿度レベルを制御するためのシステム及び方法」という標題の米国特許出願第０９／４９１，３０８号では、制御装置４４は、燃料電池アッセンブリの湿度を制御するためフィードバックを使用する。同特許出願に触れたことにより、その特許出願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。燃料電池アッセンブリの湿度を制御するために、燃料電池アッセンブリの抵抗（ＤＣ／ＤＣコンバータの前後で計測した抵抗）が利用される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
湿度レベルを正確に決定し、制御するため、陽極及び陰極の入口で相対湿度の読みが必要とされる。商業的に入手可能な相対湿度センサは、典型的には、空気等の特定の媒体での作動についてと、特定の温度範囲についてと、及び大気圧等の特定の圧力範囲について較正される。これらの相対湿度センサが燃料電池内の加圧空気、改質ガス及び／又は水素流中に置かれた場合、結果的に得られた相対湿度の計測値はもはや正確でない。燃料電池の相対湿度を適正に制御できないと、上文中に説明した問題が生じる。商業的に入手可能な相対湿度センサは、燃料電池内で直面しがちな温度、圧力、及びガス組成の変化を取り扱うように較正されていない。作動条件が変化しても正確なセンサの開発は、困難であり、コストがかかる。湿度センサのコストは、自動車に動力を加えるために燃料電池を使用する場合に更に重要なものとなる。自動車での燃料電池の使用を商業的に可能にすることを制限する一つの主要な障害は、コストである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による燃料電池の湿度レベルを検出するためのシステムは、ガス流の相対湿度を検出し、相対湿度信号を発生する湿度センサを含む。第１センサがガス流の圧力又は温度を検出し、温度信号又は圧力信号を発生する。補償装置が湿度センサ及び第１センサに接続されており、相対湿度信号、及び温度信号又は圧力信号に基づいて、補償された相対湿度信号を発生する。
【０００８】
本発明の他の特徴によれば、本システムは加湿器を更に含む。制御装置は、補償装置及び加湿器に接続されている。制御装置は、補償された相対湿度信号に基づいて、ガス流の相対湿度を上昇させる。
【０００９】
本発明の別の特徴によれば、ガス流は、改質源又は水素源によって、燃料電池の陽極に提供される。別の態様では、ガス流は、空気源又は酸素源によって、燃料電池の陰極に提供される。
【００１０】
本発明の更に別の特徴によれば、補償装置は、補償された相対湿度信号を決定するのに使用される参照用テーブル及び／又は算術式を記憶したメモリーを含む。
【００１１】
本発明の更に他の特徴によれば、ガス組成センサがガス流中の第１ガスの濃度を検出し、第１ガス濃度信号を発生する。補償装置はガス組成センサに接続されている。補償された相対湿度信号は、相対湿度信号、温度信号又は圧力信号、及び第１ガス組成信号に基づく。
【００１２】
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、利点、及び他の用途は、以下の説明及び添付図面を参照することにより更に明らかになるであろう。
【００１３】
【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、用途、又は形体を限定しようとするものではない。というよりはむしろ、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するための可能な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、構成要素の機能及び構成に様々な変更を施すことができるということは理解されよう。
【００１４】
本発明による相対湿度センサは、従来の湿度センサ、温度センサ、一つ又はそれ以上のガス組成センサ、及び／又は圧力センサを使用する。ガス組成、ガス流の温度及び／又は圧力を反映するように湿度センサの出力を補償する。相対湿度の補償は、好ましくは、参照用テーブルを使用して、又は一つ又はそれ以上の周知の数学関数を使用して補正出力信号を計算することによって行われる。相対湿度の補償は、検出されたガス組成、検出温度、及び／又は検出圧力に基づいて行われる。補償により、本発明は、過渡的条件での適用で従来の相対湿度センサを使用できる。更に、本発明による相対湿度センサは、小型で効率的な安価なパッケージで製造できる。
【００１５】
次に図１を参照すると、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。膜電極アッセンブリ１２は、膜１４、陰極１６、及び陽極１８を含む。膜１４は、陰極１６と陽極１８との間に挟まれている。
【００１６】
陰極拡散媒体２０が陰極１６の膜１４とは反対側に隣接して積層してある。陽極拡散媒体２４が陽極１８の膜１４とは反対側に隣接して積層してある。燃料電池アッセンブリ１０は、陰極流チャンネル２６及び陽極流チャンネル２８を更に含む。陰極流チャンネル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。陽極流チャンネル２８は、供給源から水素（Ｈ2 ）を受け取り、陽極拡散媒体２４に差し向ける。
【００１７】
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 ）又は空気である。燃料電池の全体としての反応は、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。
【００１８】
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。典型的には、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。水は生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。
【００１９】
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、電気を受け取るため、ＭＥＡの前後で第１プレート３２及び第２プレート３４に接続されている。これらのプレート３２及び／又は３４は、燃料電池が夫々のプレート３２又は３４と隣接している場合には二極性プレートであり、燃料電池が隣接して設けられていない場合には端プレートである。
【００２０】
効率的な作動及び最大量の電気の発生のため、燃料電池アッセンブリ１０は適正な湿度を提供されなければならない。典型的には、陰極流チャンネル２６に供給される空気流及び陽極流チャンネル２８に供給される水素流の一方又は両方に、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、燃料電池に導かれる前に、膜加湿器に導かれる。この加湿器は、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発明に組入れたものとする。この材料により、水はリザーバからＭＥＡ１２に導かれる。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、酸素流を陽極流チャンネル２８の上流で水素流に注入し、少量のＨ2 と反応させてＨ2 Ｏを発生し、水素流を加湿するのがよい。
【００２１】
次に図２を参照すると、燃料電池アッセンブリ１０を含む燃料電池システム５０が示してある。燃料電池アッセンブリ１０の出力は、負荷５４に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ５２に接続されている。酸素源５６が第１加湿器５８に連結されている。第１センサ又は一群のセンサ６０が、燃料電池アッセンブリ１０の陰極に流れるガス流の一つ又はそれ以上の構成要素の温度信号、圧力信号、及び／又はガス組成信号を発生する。第１補償−制御回路６４が第１センサ６０の一つ又はそれ以上の出力に接続されており、これらの出力から温度信号、圧力信号、及び／又はガス組成信号を受け取る。
【００２２】
水素源６６が第２加湿器６８に連結されている。第２センサ又は一群のセンサ７０が、燃料電池アッセンブリ１０の陽極に流れるガス流の一つ又はそれ以上の構成要素の温度信号、圧力信号、及び／又はガス組成信号を発生する。相対湿度の計測値には、ＣＯ、ＣＯ2 、及びＮ2 の濃度の変化による影響が及ぼされる。第２補償−制御回路７４が第２センサ７０の一つ又はそれ以上の出力に接続されており、これらの出力から温度信号、圧力信号、及び／又はガス組成信号を受け取る。補償−制御回路６４及び７４の一方又は両方を、破線７８で示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の出力に接続できる。
【００２３】
次に図３を参照すると、第１及び第２のセンサの相対位置を変化させることができる。同じ構成要素を表示する上で適当な場合には、図２の参照番号を図３で使用する。センサ６０及び７０の相対位置を多くの様々な方法で変えることができるということは当業者には理解されよう。例えば、図３では、センサ６０及び７０は、酸素源５６及び水素源６６の出力と第１及び第２の加湿器５８及び６８との間に位置決めされている。酸素源５６の出力はセンサ６０を通過するように示してあるけれども、任意の適当な構成が考えられる。例えば、温度、圧力、及び／又はガス組成の計測は、代表的には、空気、酸素、改質ガス、又は水素を搬送する導管又はパイプのボアに挿入されたセンサを使用して行われる。
【００２４】
次に図４を参照すると、第１センサ又は一群のセンサ６０は、相対湿度信号１０２を発生する相対湿度センサ１００、温度信号１０８を発生する温度センサ１０４、及び／又は圧力信号１１４を発生する圧力センサ１１２を含む。相対湿度補償回路１２０は、相対湿度信号演算処理モジュール１２４、温度信号演算処理モジュール１２６、及び／又は圧力信号演算処理モジュール１２８を含む。これらのモジュール１２４、１２６、及び１２８の全ての出力を補償演算処理モジュール１３４に入力する。一つ又はそれ以上のガス組成センサ１３５が、ガス流の組成の存在と関連した一つ又はそれ以上のガス組成信号を補償演算処理モジュール１３４に提供し、ガスの組成を決定できる。
【００２５】
補償演算処理モジュール１３４はメモリー１３６に接続されている。このメモリーには、好ましくは、読み取り専用メモリー（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）１４０、フラッシュメモリー１４２、又は任意の他の適当電子メモリーが含まれる。補償演算処理モジュール１３４は、入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース１４４に接続されている。主システム制御装置１４８は、Ｉ／Ｏインターフェース１４４に接続されている。補償演算処理モジュール１３４は、記憶された参照用テーブル、算術式、その組み合わせ、又は他の適当な手段を使用して、相対湿度信号１０２、温度信号１０８、及び／又は圧力信号１１４を算出し、相対湿度信号を温度、ガス組成、ポジショナー圧力に基づいて調節する。
【００２６】
相対湿度は、温度、圧力、及びガス流の成分の影響を受ける。以下の等式が関係を表す。
（ＲＨ／１００）＝Ｐw ／Ｐs ＝（ηfwＰTOTAL ）／Ｐs
ここで、
Ｐw ＝水のモル分率×全圧、
Ｐs ＝蒸気の飽和圧力、
ηfw＝水のモル分率、
ηfw＝ηw ／ηTOTAL 、
ηfw＝（モル比水（ｍｏｌｅ  ｒａｔｅ  ｗａｔｅｒ））／（全モル比（ｔｏｔａｌ  ｍｏｌｅ  ｒａｔｅ））。
【００２７】
従って、上述の関係を使用し、従来のセンサの相対湿度出力を、流れの全圧の変化、流れの温度、及び／又は、ガス組成の変化に関して調節できる。このように、センサの電圧出力がこれに従って調節され、正しい出力を提供する。補償がなされた従来のセンサを使用することにより、精度を損なうことなく相対湿度センサの費用を低くできる。
【００２８】
以上の説明から、本発明の広範な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が、本発明の真の範囲は、そのように限定されるべきではない。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。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池アッセンブリの膜電極アッセンブリの断面図である。
【図２】燃料電池の湿度レベルを本発明に従って制御するためのシステムの概略ブロックダイヤグラムである。
【図３】燃料電池の湿度レベルを本発明に従って制御するためのシステムの概略ブロックダイヤグラムである。
【図４】補償を行った、図２の燃料電池の湿度センサ及び制御装置の概略ブロックダイヤグラムである。
【符号の説明】
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  陰極流チャンネル
２８  陽極流チャンネル
【図１】
0003663185.tif 000002
【図２】
0003663185.tif 000003
【図３】
0003663185.tif 000004
【図４】
0003663185.tif 000005