(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおいて、
電気を発生するために水素及び酸化剤を使用する燃料電池スタックであって、水素を導入するための入口及び未反応水素を取り出すための出口を持つ燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの前記入口と前記出口との間に流路を形成する、未反応水素を燃料電池スタックに戻すための再循環ループと、
前記再循環ループ内の水素を加圧するためのブロワー部分と、このブロワーを駆動するためのモータ部分とを含み、前記ブロワー部分が前記再循環ループと流体連通している、気密封止されたアッセンブリと、
補給水素を、前記アッセンブリの前記モータ部分に、前記アッセンブリの前記ブロワー部分内の圧力よりも大きな圧力で導入することができる、補給水素源とを備えた、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
さらに、未反応水素の一部を前記再循環ループから通気するための排気ラインを有する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記再循環ループは、前記燃料電池スタックの前記出口と前記アッセンブリの前記ブロワー部分の入口との間に流路を提供する導管を含む、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記再循環ループは、さらに排出ラインを含み、
この排出ラインは、前記アッセンブリの前記ブロワー部分の出口と前記燃料電池スタックの前記入口との間に流路を提供する、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
さらに、前記アッセンブリの前記モータ部分と前記補給水素源との間を流体連通する導管を含む、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
さらに、前記アッセンブリの前記モータ部分と前記ブロワー部分を分離する壁を有し、この壁は、補給水素を、前記アッセンブリの前記モータ部分から、前記アッセンブリの前記ブロワー部分内に流すことができる穴を有する、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
さらに、前記アッセンブリの前記モータ部分と前記再循環ループとの間に流路を提供する導管を含む、燃料電池システム。
【請求項８】
水素を導入するための入口及び未反応水素を取り出すための出口を持つ燃料電池スタックに水素を補充するための装置において、
前記燃料電池スタックの前記入口と前記出口との間に流路を形成する、未反応水素を前記燃料電池スタックに戻すための再循環ループと、
再循環ループ内の水素を加圧するためのブロワー部分と、ブロワーを駆動するためのモータ部分とを含み、前記ブロワー部分は前記再循環ループと流体連通している、気密封止されたアッセンブリと、
水素を、前記アッセンブリの前記モータ部分に、前記アッセンブリの前記ブロワー部分内の圧力よりも高い圧力で導入することができる補給水素源とを備えた、装置。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、
さらに、未反応水素の一部を前記再循環ループから通気するための排気ラインを含む、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置において、
前記アッセンブリは、さらに、前記モータを調整するための制御装置部分を含み、この制御装置部分は、前記アッセンブリの前記モータ部分と流体連通している、装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置において、
さらに、前記補給水素源と前記アッセンブリの制御装置部分との間に流路を提供する導管を含む、装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置において、
前記アッセンブリの前記制御装置部分は、可変周波数駆動装置を含む、装置。
【請求項１３】
請求項８に記載の装置において、
前記アッセンブリの前記ブロワー部分は、部分エミッション型ブロワーである、装置。
【請求項１４】
請求項８に記載の装置において、
前記アッセンブリの前記モータ部分は、ブラシレス交流モータを含む、装置。
【請求項１５】
請求項８に記載の装置において、
前記アッセンブリは、さらに、前記アッセンブリの前記モータ部分と前記ブロワー部分とを分離する壁を有し、
この壁には、前記アッセンブリの前記モータ部分から前記アッセンブリの前記ブロワー部分内に補給水素を流すための流路を提供する穴が設けられている、装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の装置において、
前記アッセンブリは、さらに、前記アッセンブリの前記モータ部分から前記アッセンブリの前記ブロワー部分内に、前記アッセンブリの前記モータ部分と前記ブロワー部分とを分離する前記壁の前記穴を通って延びる剛性シャフトを含み、
前記剛性シャフトは、前記アッセンブリの前記ブロワー部分と前記アッセンブリの前記モータ部分との間を機械的に連結する、装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の装置において、
前記アッセンブリは、前記壁と前記剛性シャフトとの間の前記穴内に配置されたラビリンスシールを含む、装置。
【請求項１８】
請求項８に記載の装置において、
さらに、前記アッセンブリの前記モータ部分と前記再循環ループとの間に流路を提供する導管を有する、装置。
【請求項１９】
水素を導入するための入口及び未反応水素を取り出すための出口を持つ燃料電池スタックに水素を補充する方法において、
未反応水素を、前記燃料電池スタックの前記出口から前記燃料電池スタックの前記入口にブロワーを使用して再循環する工程と、
前記ブロワーに気密をなして連結されており且つ前記ブロワーとの間を流体連通する流路を持つモータを使用して、前記ブロワーを駆動する工程と、
補給水素が前記モータから前記ブロワー内に前記流路を通って流れるように、補給水素を、前記ブロワー内の圧力よりも高い圧力で前記モータに導入する工程とを含む、方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法において、
前記補給水素の一部を、前記モータと前記再循環ループとを連結する導管に迂回させる工程を更に含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は全体として燃料電池システムに関し、更に詳細には、水素燃料ガスを燃料電池スタックにリサイクルするための装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、化学エネルギを電気エネルギ及び熱に直接的に変換する装置である。恐らくはその最も簡単な形態において、燃料電池は、電解質によって分離された二つの電極、即ちアノード（換言すれば、燃料極又は負極）及びカソード（換言すれば、空気極又は正極）を含む。使用中、アノードに燃料が供給され、カソードに酸化剤が供給される。酸化剤は、通常は、周囲空気中の酸素である。触媒の補助により、アノードで燃料に酸化作用が加わり、陽子及び電子を発生する。陽子は、電解質を通ってカソードに拡散し、この場合、第２触媒の存在下で酸素及び電子と化合し、水及び熱を発生する。電解質が電子の流れに対する障壁として作用するため、電子は、燃料電池が発生した電力を消費する電気的負荷を含む外部回路を通ってアノードからカソードまで移動する。燃料電池が発生する電位差が約１ｖ又はそれ以下であるため、個々の燃料電池を直列に「積み重ね」（すなわち、スタック状態にし）て必要な電圧を得る。
【０００３】
効率が高く、様々な燃料を使用でき、そして汚染物エミッションをゼロ又はほぼゼロで電気を発生できるため、燃料電池は、車輛の内燃エンジンに代わるものとして提案されてきた。車輛の用途で考えられてきた燃料のうち、水素（Ｈ2）が最も優れていると考えられている。水素は、電気化学的反応性が優れており、空気酸化システムで十分な電力密度レベルを提供し、酸化時に水しか発生しない。
【０００４】
図１は、水素を用いる燃料電池システム１０を概略的に示している。この燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を含む。燃料電池スタック１２は、個々の燃料電池１４でできており、外部回路２０を介して電気的に接続されたカソード端子１６及びアノード端子１８を含む。外部回路２０は、燃料電池スタック１２が発生した電力を消費する負荷２２（例えば電動モータ２２）を含む。空気（酸素）が、カソードガス入口２４を通って燃料電池スタック１２に進入し、加圧水素が、アノードガス入口２６を通って燃料電池スタック１２に進入する。燃料電池スタック１２は、空気及び水素を各燃料電池１４のカソード及びアノードに分配する内部流路２８、３０を含む。酸素が奪われた空気は、カソードガス出口３２を通って燃料電池スタック１２を出る。水、窒素、及び未反応水素が、アノードガス出口３４を通って燃料電池スタック１２を出る。
【０００５】
図１に示すように、第１導管３６が、アノードガス（Ｈ2、Ｎ2、及びＨ2Ｏ）を燃料電池スタック１２の外に搬送する。アノードガス流の一部がドローオフ（ｄｒａｗ−ｏｆｆ）バルブ４０を通って排気ライン３８内に通気され、リサイクルライン４２が、アノードガス流の残りを燃料電池スタック１２に戻す。アノードガスの通気による圧力損失の他、アノードガス流路３０内の摩擦損により、代表的には、燃料電池スタック１２の前後で約３０ｋＰａの圧力降下が生じる。これらの圧力損を解決するため、燃料電池システム１０は、モータ４４により駆動されるブロワー４６を使用し、リサイクルライン４２内のアノードガスの圧力を上昇させる。明瞭化を図るため、モータ４４及びブロワー４６は、剛性シャフト４８がトルクをモータ４４とブロワー４６との間で伝達することを示すため、包囲体なしで示してある。更に、矢印５０で示すように、動的シール（換言すれば、運動用シール）５２が減少するが、ブロワーからモータ４４へのアノードガスの流れをなくすことはできない。
【０００６】
加圧されたアノード再循環ガスは、出口５４を通ってブロワー４６を出て、排出ライン５６に流入し、この排出ライン５６が、アノードガスリサイクル流を燃料電池スタック１２のアノードガス入口２６に差し向ける（すなわち、案内する）。水素ガスリザーバ６０又は他の水素源と連通した第２導管５８が、補給水素をブロワー排出ライン５６に導入する。流れ制御装置（図示せず）と連通した制御バルブ６２及び質量流量計６４が、アノードガス再循環流に追加される水素の量を調整する。作動中、ブロワーモータ４４が発生した余分の熱を熱交換器６６が除去する。熱交換器６６は、代表的には、モータ４４のハウジング通して流体クーラントを循環させる流体クーラントループを含む。
【０００７】
図１に示す燃料電池システム１０は、有用な機構を提供するけれども、燃料電池の用途用の現存のモータ４４駆動式ブロワー４６には幾つかの問題点がある。水素の分子が小さいため、動的シール５２は、Ｈ2がブロワーモータ４４のエアスペース（空隙）内に漏れることを完全に阻止することができない。更に、アノードガス再循環流中の水が漏れてモータ４４のハウジングに入り、モータの潤滑剤を汚染し、モータ部品の腐食を促す場合がある。最後に、モータ４４が大量の熱を発生するため、比較的大型の熱交換器を使用しなければならない。これは、嵩及び費用を燃料電池システム１０に追加する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の問題点のうちの一つ又はそれ以上を解決するか或いは少なくとも緩和を補助する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、車輛に動力を提供するのに使用できる燃料電池システムを提供する。このシステムは、電気を発生するために水素及び酸化剤（代表的には周囲空気中の酸素）を使用する燃料電池スタックを含む。
【００１０】
本システムは、未反応水素を水及び窒素とともに燃料電池スタックに戻すための再循環ループと、気密封止されたアッセンブリとを含む。このアッセンブリは、再循環ループ内の水素を加圧するためのブロワー部分と、ブロワーを駆動するためのモータ部分とを含む。
【００１１】
本システムは、再循環ループに水素を補充するための補給水素源を更に含む。水素源は、補給水素を、アッセンブリのモータ部分に、アッセンブリのブロワー部分内の圧力よりも大きな圧力で導入する。その結果、補給水素の少なくとも幾分かがアッセンブリのモータ部分からアッセンブリのブロワー部分に流入する。これにより、再循環ループ内の構成要素がアッセンブリのモータ部分に進入しないようにする。補給水素が、モータから望ましからぬ化合物（例えば水及び酸素）を取り除き（すなわち、パージし）、モータ及び制御装置（設けられている場合）が発生する熱を除去する。幾つかの場合では、補給水素をアッセンブリのブロワー部分に通すことによって、熱交換器を別に設ける必要をなくす。
【００１２】
本発明は、更に、燃料電池スタックに水素を補充するための装置を提供する。この装置は、未反応水素を燃料電池スタックに戻すための再循環ループと、ブロワー部分及びモータ部分を含む気密封止されたアッセンブリとを含む。アッセンブリのブロワー部分は再循環ループと連通しており、再循環ループ内の水素を加圧し、アッセンブリのモータ部分がブロワーを駆動する。装置は、水素を、アッセンブリのモータ部分に、アッセンブリのブロワー部分内の圧力よりも大きな圧力で導入できる補給水素源を含む。
【００１３】
最後に、本発明は、燃料電池スタックに水素を補充する方法を提供する。この方法は、未反応水素を、燃料電池スタックの出口から入口に、モータ駆動式ブロワーを使用して再循環する工程を含む。ブロワーに気密をなして連結されたモータは、モータとブロワーとの間を流体連通する流路を有する。本方法は、かくして、補給水素を、モータに、ブロワー内の圧力よりも高い圧力で導入する工程を含む。補給水素は、モータ内で流路を通ってブロワーに流入し、ここで未反応水素と混合する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図２は、気密封止したモータ−ブロワーアッセンブリ１１２を使用する燃料電池システム１１０を示す。燃料電池システム１１０は、図１に示されたシステム１０と同様になっており、多くの同じ要素を有している。例えば、この燃料電池システム１１０は、燃料電池スタック１２を含んでいる。燃料電池スタック１２は、個々の燃料電池１４で構成されており、外部回路２０を介して電気的に接続されたカソード端子１６及びアノード端子１８を持っている。外部回路２０は、燃料電池スタック１２が発生した電力を消費する負荷２２（例えば、電動モータ２２）を含む。
【００１５】
湿潤空気（酸素、窒素、脱イオン水）及び加圧水素が、それぞれ、カソードガス入口２４及びアノードガス入口２６を通って燃料電池スタック１２に進入する。燃料電池スタック１２は、空気及び水素を、各燃料電池１４のカソード及びアノードに分配する内部流路２８、３０を含む。酸素が奪われた空気は、カソードガス出口３２を通って、燃料電池スタック１２を出る。水、窒素、及び未反応水素は、アノードガス出口３４を通って燃料スタック１２を出る。第１導管３６が、アノードガス（Ｈ2、Ｎ2、及びＨ2Ｏ）を、燃料電池スタック１２の外に搬送する。アノードガス流の一部がドローオフバルブ４０を通って排気ライン３８内に通気され、リサイクルライン４２がアノードガス流の残りを燃料電池スタック１２に戻す。
【００１６】
必須のガス圧をアノードガス入口２６で得るため、燃料電池システム１１０は、気密封止されたモータ−ブロワーアッセンブリ１１２を使用する。このモータ−ブロワーアッセンブリ１１２は、水素パージモータ部分１１４を含む。このモータ部分は、リサイクルライン４２内のアノードガスの圧力を上昇させるブロワー１１６又はコンプレッサーに連結されている。コンプレッサー及びブロワーは、それぞれ、最小又は最大の圧縮比が約１．１のガス取り扱い装置に関するが、本開示は、これらの二つの用語を相互交換的に使用する。水素ガスリザーバ６０又は他の水素ガス源と連通した第２導管５８が、新たな水素（例えば、純度が９９．９％の水素）をアッセンブリ１１２のモータ部分１１４に導入する。アッセンブリ１１２のモータ部分１１４内の水素ガス圧力は、ブロワー１１６を通過するアノード再循環ガスの圧力よりも大きい。その結果、補給水素が、モータ部分１１４からアッセンブリ１１２のブロワー部分１１６に流入し、これにより、アノードガスがリサイクルライン４２からモータ１１４に流入しないようにする。
【００１７】
水素リザーバ６０からの補給水素を含む加圧されたアノード再循環ガスは、出口５４及び外部ディフューザー５５を通ってブロワー１１６を出て、排出ライン５６に流入する。この排出ライン５６は、アノードガス流を、燃料電池スタック１２のアノードガス入口２６に差し向けることによって、アノードガス再循環ループ１１８を完成する。流れ制御装置（図示せず）と連通した制御バルブ６２及び質量流量計６４が、モータ−ブロワーアッセンブリ１１２のモータ部分１１４を通ってアノードガスリサイクル流に追加される水素の量を調整する。
【００１８】
気密封止されたモータ−ブロワーアッセンブリ１１２は、モータ部分１１４へのアノードガスの漏入を最小にする他に追加の利点を提供する。例えば、モータ部分１１４及びブロワー部分１１６がガス密の缶又はハウジング内に密閉されているため、アッセンブリ１１２は、図１に示すモータ４４及びブロワー４６よりも静粛に作動する。補給水素流は、モータの閉鎖容器から望ましからぬ流体を追い出す（すなわち、パージする）ほか、モータが発生した熱を除去し、これにより、多くの場合において、図１に示す熱交換器６６を設ける必要がなくなる。補給水素が、アッセンブリ１１２のモータ部分１１４を通ってアノードガス再循環流に入り込むため、モータは風損（ウィンデージ又は風摩擦）が比較的小さく、その結果、モータ効率が高くなる。
【００１９】
燃料電池スタック１２に進入するアノード再循環ガスの温度を制御するため、システム１１０が加熱又は冷却の追加を必要とする場合には、ブロワー出口５４の下流に配置した比較的小型の熱交換器１２０を使用してもよい。図２に示す随意の熱交換器１２０は、伝熱ループ１２２を含む。このループ１２２内を流れる流体の温度に応じて、熱交換器１２０は、ブロワー排出ライン５６内のアノード再循環ガスを加熱し又は冷却する。
【００２０】
図３は、気密封止されたモータ−ブロワーアッセンブリ１１２の一実施例の部分断面図を示す。この実施例は、水素パージモータ部分１１４、アノードガス再循環ブロワー部分１１６、及びモータ制御装置部分１４０を含み、これらはガス密ハウジング１４２内に収容されている。モータ−ブロワーアッセンブリ１１２は、このアッセンブリ１１２を自動車に取り付けるための、ハウジング１４２に取り付けられたブラケット１４４を含む。代表的な燃料電池式エンジンについて、モータ−ブロワーハウジング１４２の最大許容圧力は、ＡＳＭＥボイラー及び圧力容器コード第ＶＩＩＩ章第１項及び第２項（１９９８年）に従って試験した場合、少なくとも約８５ｐｓｉｇでなければならない。
【００２１】
図３に示すアッセンブリ１１２は、部分エミッション遠心形ブロワー１１６を使用する。容積式ガス移動機器（例えばロータリーポンプ）と異なり、遠心形ブロワーは、可動部品間に大きな隙間があり、従って、アノードガス等の腐食性流体に露呈された場合の丈夫さ及び信頼性が良好である。アッセンブリ１１２のブロワー部分１１６は、図３に破線で示す回転軸線１５０を持つ剛性シャフト（又は剛体のシャフト）１４８に取り付けられたインペラー１４６を含む。シャフト１４８は、モータ部分１１４の長さに亘って延び、モータ部分１１４とブロワー部分１１６とを分けるインペラー受けプレート（すなわち、インペラー裏打ちプレート）１５４の穴１５２を通ってアッセンブリ１１２のブロワー部分１１６内に延びる。ブロワー１１６は、インペラー１４６の直ぐ上流に配置された随意のポンプインデューサ１５６即ち前置旋回翼を含む。
【００２２】
インペラー１４６は、インペラー表面１６０から外方に延びるブレード１５８又はベーンを含む。図３に示す部分エミッション型ブロワー１１６は、開放インペラー１４６に設けられた真っ直ぐな半径方向ブレード１５８と、外部ディフューザー５５とを使用する。外部ディフューザー５５は、任意の所与の時期に、ブレード１５８が同伴したガスのほんの一部だけをブロワー１１６から出すことができる。これとは対照的に、全エミッションブロワーは、湾曲したブレード及びボリュート状ディフューザーを有する。ボリュート状ディフューザーは、ガスを全てのインペラーブレードからブロワー出口５４に同時に流す。燃料電池システム１１０は全エミッション型ブロワーを使用してもよが、部分エミッション型ブロワーは、通常は、圧力が比較的高く流量が低いという燃料電池システム１１０の要件を更に容易に満たすことができる。
【００２３】
アッセンブリ１１２のモータ部分１１４は、可変周波数交流モータ１６４を含む。このようなモータは、火花の発生や電磁干渉が小さいブラシレスモータであり、代表的には、ブラシを使用するモータよりも保守が少なく、丈夫であり、作動が静粛である。図３に示すモータ１６４は、剛性シャフト１４８の他に、ステータ１６６、ロータ１６８、及び一対のベアリング１７０、１７２を含む。ステータ１６６は、内周１７４に亘って設けられたスロットに捲線が配置されたほぼ円筒形のフレームを含む。幾つかの実施例では、ロータ１６８は、絶縁された捲線を含んでもよいけれども、図３に示すモータ１６４は永久磁石を使用し、これにより、スリップリング及び外部直流場電流源に対する必要をなくす。ネオジム−硼素−鉄、サマリウム−コバルト、フェライト等でできた永久磁石は、剛性シャフト１４８の回転軸１５０と一致するロータ１６８の回転軸から半径方向外方に延びる極性軸を有する。ベアリング１７０、１７２は、回転シャフト１４８を支持し、通常は、モータ１６４及びインペラー１４６が最大で少なくとも約４０，０００ｒｐｍの速度で回転できるようにしなければならない。有用なベアリング１７０、１７２は、セラミックボールベアリングを含む。
【００２４】
モータ−ブロワーアッセンブリ１１２のモータ制御装置部分１４０は、代表的には、可変周波数駆動装置（ＶＦＤ）１７６を含む。ＶＦＤ１７６は、ヒートシンク１８２に取り付けられたインバータ１７８及び制御回路１８０（例えばマイクロプロセッサ）を含む。図３に示すインバータ１７８は、絶縁ゲートバイポーラートランジスタ、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、バイポーラートランジスター、サイリスタ等の三対の半導体１８４を含む。インバータ１７８は、制御回路１８０の制御下で、外部電源（即ち、燃料電池スタック１２）から一定の直流電圧（例えば３００Ｖの直流）を受け取ってこれを可変の交流電源に変換する。この交流電源は、モータ１６４を様々な速度で駆動できる。入力電圧が一定であるため、インバータ１７８は、モータ１６４のステータ１６６の捲線に供給される電流の振幅及び周波数（ｆ）の両方を調節する。ステータ１６６の電流により、隙間１８６（即ち、ステータ１６６の内周１７４とロータ１６８の外周１８８との間の環状領域）に磁界が発生する。磁界は、１２０・ｆ・ｐ-1（ｒｐｍ）で回転し（ここで、ｐはロータの磁極の数である）、ロータ１６８及びシャフト１４８の回転を誘導する。これは、ロータ１６８に設けられた永久磁石が回転磁界と整合しようとするためである。
【００２５】
他の実施例では、ＶＦＤ１７６は、整流器及び中間回路（図示せず）を含む。整流器は交流電圧を受け取り、これを脈動交流電圧に変換し、これを中間回路に供給する。中間回路は、使用される整流器及びインバータの種類に応じて、直流電圧を安定させるか或いはこれを可変の直流電流又は可変の直流電圧に変換する。可変の直流電流又は可変の直流電圧について、ＶＦＤ制御装置は、電流源インバータ又はパルス振幅変調を使用するインバータを夫々使用し、モータ１６４の速度を調整する可変の交流電源を発生する。一定の直流電圧入力を受け取るインバータ、例えば図３に示すインバータ１７８は、パネル幅変調を使用する可変の交流電源を発生するためにパルス幅変調を使用する。
【００２６】
図３に示すように、モータ−ブロワーアッセンブリ１１２は、気密電気コネクタ１９０を更に含む。気密電気コネクタ１９０は、モータ制御装置部分１４０の内部構成要素と、燃料電池システム１１０や車輛のエレメントとの間を電気的に接続させる。適当なコネクタ１９０としては、オハイオ州デイトンのＰＡＶＥテクノロジー社から入手できるＰＡＶＥ−Ｍａｔｅ  ＩＩコネクタ等の１０ピンコネクタが挙げられる。コネクタには、様々な電気信号を通すことができる。かかる電気信号としては、インバータ１７８への（例えば３００Ｖの直流）及び制御回路１８０への（１２Ｖの直流）一定の直流電圧入力、並びに、制御装置エリアネットワーク（ＣＡＮ）データ、安全Ｅーストップ信号、及びソフトウェアなどが挙げられる。モータ制御装置部分１４０へのＣＡＮデータ入力には、制御信号（例えば、ｒｐｍでの所望のモータ速度）及び較正信号が含まれる。同様に、モータ制御装置部分１４０からのＣＡＮデータ出力には、状態信号（例えば、ｒｐｍでの実際のモータ速度）及び診断信号（即ち、エラーコード）が含まれる。
【００２７】
図３でわかるように、モータ−ブロワーアッセンブリ１１２は、アッセンブリ１１２のブロワー１１６及び制御装置部分１４０をモータ部分１１４に取り付けるためのファスナー（締結具など）１９２、１９４（例えば、ねじ山を備えた押さえねじ（丸頭ねじ））を含む。流体漏れを最小にするため、アッセンブリ１１２は、ガスケット１９６、１９８、２００を含む。ガスケット１９６は、アッセンブリ１１２のブロワー部分１１６とインペラー受けプレート１５４との隣接した表面間に配置される。ガスケット１９８は、モータ部分１１４とインペラー受けプレート１５４との隣接した表面間に配置される。ガスケット２００は、モータ部分１１４と制御装置部分１４０との隣接した表面間に配置される。ガスケット１９６、１９８、２００は、穴を持つシートからなっている。これらの穴は、アッセンブリ１１２の内部構成要素を受入れることができる大きさとなっており、また、モータ−ブロワーアッセンブリ１１２の隣接した部分１１４、１１６間を延びるファスナ１９２を通すことができる大きさとなっており、また、モータ−ブロワーアッセンブリ１１２の隣接した部分１１４、１４０間を延びるファスナ１９４を通すことができる大きさとなっている。有用なガスケット１９６、１９８、２００は、金属でコーティングした弾性材料（例えば天然又は合成のエラストマー）製のシート、又は一つ又はそれ以上の可撓性金属層を含む。
【００２８】
モータ−ブロワーアッセンブリ１１２の構成要素は、車輛の機械的、電気的、熱的、及び他の設計上の要件を満たすことができる材料から製造されなければならない。これらの設計上の要件には、質量、容積、及び費用が含まれる。材料は、アッセンブリの作動環境に適合しなければならない。例えば、アッセンブリハウジング１４２は、車輛のエンジンルーム内に存在する化合物（例えば道路汚染物）による有害な作用に抵抗できなければならない。同様に、ブロワー１１６の構成要素は、燃料電池システム１１０の始動中及び停止中に凝結する可能のある、水を含むアノードガス再循環流の腐食性成分による有害な作用に抵抗できなければならない。アッセンブリ１１２の構成要素が、アノードガス再循環流中に放出する特定のイオン（塩素及び金属イオン）の量を最少にするように注意を払わなければならない。多くの場合において、アッセンブリ１１２は、モータ−ブロワー１１２の作動温度で気化する可能性のある潤滑剤を使用してはならない。有用な製造材料には、アノード処理アルミニウム、ステンレス鋼、及び熱的に安定したプラスチックが挙げられる。
【００２９】
燃料電池システム１１０の作動中、図３に矢印２０２で示すアノードガスが、回転しているインペラー１４６及び随意のポンプインデューサ１５６と隣接して配置された入口ポート２０４を介して、リサイクルライン４２から、アッセンブリ１１２のブロワー部分１１６に進入する。最初、アノードガスはインペラーの回転軸線１５０に沿って流れるが、インペラーブレード１５８及び表面１６０の作用により、曲がり、回転軸線１５０から遠ざかるように半径方向外方に流れる。インペラー１４６の流れを妨げる領域でのアノードガス再循環により、高い静圧が発生し、その後、ロータ１６８を離れた後に突然減速し、ブロワー出口５４を通ってディフューザー５５に進入し、これによりガスの運動エネルギを圧力エネルギに変換する。ディフューザー５５から、加圧アノードガスが、排出ライン５６に進入する。
【００３０】
加圧アノード再循環ガスは、リザーバ６０からモータ制御装置部分１４０のポート２０６を通ってアッセンブリ１１２に進入する新たな水素を含む。図３の矢印２０８で示すように、補給水素は、最初、モータ制御装置部分１４０の内部を通って流れる。補給水素は、ヒートシンク１８２を越えて流れ、このヒートシンクのところで、インバータ１７８及び制御回路１８０を含むＶＦＤ制御装置１７６の構成要素が発生する熱を吸収する。補給水素は、モータ制御装置部分１４０を出た後、アッセンブリのモータ部分１１４を通って流れ、そこで、ガスは、ベアリング１７０、１７２、ステータ１６６、及びロータ１６８を含むモータ１６４の構成要素から熱を吸収する。水素流は、次いで、剛性シャフト１４８と、インペラー受けプレート１５４に穴１５２を形成する壁２１２との間の、環状空間２１０又は隙間を通ってブロワー部分１１６に進入する。補給水素は、インペラー１４６と受けプレート１５４との間の隙間（又はクリアランス）２１４内で回転軸線１５０から半径方向外方に流れる。これは、次いで、ブロワー１１６でアノード再循環ガスと混合してアノード再循環ガスを冷却し、ブロワー出口５４、ディフューザー５５、及び排出ライン５６を通って気密アッセンブリ１１２を出る。
【００３１】
図３は、ステータ１６６とロータ１６８との間の隙間１８６を通って流れる補給水素を示すけれども、モータ１６４はこの他の流路を備えていてもよい。例えば、水素用の追加の流路を提供するチャンネル（流路）が、シャフト１４８、ステータ１６６、ロータ１６８、及びベアリング１７０、１７２の各々に設けられていてもよい。図３に示す実施例では、水素入口ポート２０６は、アッセンブリのモータ制御装置部分１４０の共通の回転軸線１５０に沿って位置決めされているが、一般的には、モータ１１４及び制御装置部分１４０のどこに配置されていてもよい。このような場合、アッセンブリ１１２は、補給水素をアッセンブリ１１２内の様々な位置に差し向けるためのバッフル又は同様の構造を含んでもよい。
【００３２】
他の実施例では、モータ−ブロワーアッセンブリ１１２は、インペラー受けプレート１５４の壁２１２と剛性シャフト１４８との間の環状隙間２１０に配置されたラビリンスシール（図示せず）を含んでもよい。ラビリンスシールは、剛性シャフト１４８から環状隙間２１０内に延びる一連のナイフエッジ制限体を含む。隙間が小さいこれらの制限体は、アッセンブリ１１２のモータ部分１１４からブロワー部分１１６内への補給水素流を減少させるがなくさない。しかしながら、ラビリンスシール前後の圧力降下の大きさにより、モータ−ブロワーアッセンブリ１１２を通過する補給水素の流量は、最高の負荷２２のところにアノード再循環ガス流を補充するには不十分である。かくして、システム１１０は、アッセンブリの水素ガスリザーバ６０又はモータ部分１１４のいずれかと連通した第３導管（図示せず）を含んでもよい。この第３導管は、新たな水素をブロワー−モータアッセンブリ１１２の下流の排出ライン５６に導入する。この実施例は、図２に示す燃料電池システム１１０よりも複雑であり、追加の質量流量制御装置、更に多くの配管、及び恐らくは大型の熱交換器を必要とするけれども、ラビリンスシールは、アッセンブリ１１２のモータ部分１１４内へのアノード再循環ガスの漏れを更に少なくする。
【００３３】
プロセスパラメータは、少なくとも、燃料電池スタック１２及び負荷２２の性質で決まる。図２に示す燃料電池システム１１０について、ブロワー排出ライン５６の質量流量は、代表的には、アイドリング時（１％負荷）の約０．５ｇ／ｓ乃至ピーク負荷時の約２４ｇ／ｓの範囲であり、絶対圧力範囲は約１１２ｋＰａ乃至約２４４ｋＰａである。これらの流量は、排出ライン５６内のアノード再循環ガスが水素を５２ｍｏｌ％、窒素を約２８ｍｏｌ％、及び水蒸気を約２０ｍｏｌ％含むと仮定した値であり、対応する補給水素の質量流量の範囲は約０．２ｇ／ｓ乃至約１．５ｇ／ｓである。アッセンブリ１１２前後の圧力降下に打ち勝つため、また、アッセンブリ１１２のモータ部分１１４内へのアノード再循環ガス流を最小にするため、水素入口ポート２０６での水素の絶対圧力の範囲は、約１３２ｋＰａ（アイドリング時）乃至約２６４ｋＰａ（ピーク負荷時）である。ブロワー排出ライン５６内のアノードガスの温度範囲は、代表的には、約６０°Ｃ乃至約８５°Ｃである。モータ−ブロワーアッセンブリ１１２に供給された補給水素の温度範囲は、代表的には、約−２０°Ｃ至約４０°Ｃ（周囲温度）である。これは、リザーバ６０の温度が、通常は制御されないためである。
【００３４】
以上の説明は、例示の説明であって限定的な説明ではない。以上の説明を読むことによって、当業者には、上述の例以外の多くの実施例及び多くの用途が明らかになるであろう。従って、本発明の範囲は、以上の説明を参照することによって決定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲並びにこれらの特許請求の範囲の範疇の均等物の全範囲を参照して決定されるべきである。特許明細書及び公開物を含む全ての文献及び参照物の開示は、参考のため、その全体が本願に組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、水素を用いた燃料電池システムの図である。
【図２】図２は、気密封止されたアノードガス再循環用の水素パージモータ−ブロワーアッセンブリを使用する燃料電池システムを示す図である。
【図３】図３は、図２の気密封止された水素パージモータ−ブロワーの部分断面図である。
【符号の説明】
１０  燃料電池システム            １２  燃料電池スタック
１４  燃料電池                    １６  カソード端子
１８  アノード端子                    ２０  外部回路
２２  負荷                        ２４  アノードガス入口
２６  カソードガス入口                ２８、３０  内部流路
３２  カソードガス出口                ３４  アノードガス出口
３６  第１導管                    ３８  排気ライン
４０  ドローオフバルブ            ４２  リサイクルライン
５４  出口                        ５５  外部ディフューザー
５６  排出ライン                  ５８  第２導管
６０  水素ガスリザーバ            ６２  制御バルブ
６４  質量流量計                  １１０  燃料電池システム
１１２  モータ−ブロワーアッセンブリ
１１４  水素パージモータ部分      １１６  ブロワー部分
１１８  アノードガス再循環ループ      １２０  熱交換器
１２２  伝熱ループ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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