(57)【要約】実施例のシステム水平衡化方法は、システムから水蒸気を排出し、システムによる使用に利用可能な水の量に応じて排出を変化させる、ことを含む。
2015504587.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
システムから水蒸気を排出し、
システムによる使用に利用可能な水の量に応じて排出を変化させる、
ことを含むことを特徴とする、水平衡化方法。
【請求項２】
前記の変化させることは、システムに流入する反応物の圧力を増大させることを含むことを特徴とする請求項１記載のシステム水平衡化方法。
【請求項３】
前記の変化させることは、システムに流入する反応物の流量を減少させることを含むことを特徴とする請求項１記載のシステム水平衡化方法。
【請求項４】
水の量は、蓄積装置貯蔵器内の水のレベルから成ることを含むことを特徴とする請求項１記載のシステム水平衡化方法。
【請求項５】
システムによる使用に利用可能な水の量に応じてシステムから引き出される電力を制限することを含むことを特徴とする請求項１記載のシステム水平衡化方法。
【請求項６】
最大電力引き出しおよび最小電力引き出し制限を適用することにより、引き出される電力を制限することを含むことを特徴とする請求項５記載のシステム水平衡化方法。
【請求項７】
システムは、燃料電池システムであることを特徴とする請求項１記載のシステム水平衡化方法。
【請求項８】
燃料電池による使用に利用可能な水の量を検出し、
検出に応じて燃料電池システムから排出される水蒸気を制限する、
ことを含むことを特徴とする燃料電池水平衡化方法。
【請求項９】
燃料電池から引き出される電力を制限することを含むことを特徴とする請求項８記載の燃料電池水平衡化方法。
【請求項１０】
最大電力引き出しおよび最小電力引き出し制限を適用することにより制限することを含むことを特徴とする請求項９記載の燃料電池水平衡化方法。
【請求項１１】
水の量が第１の水の基準量より少ない場合、燃料電池から排出される水蒸気を制限し、水の量が第１の水の基準量より少ない第２の水の基準量より少ない場合、燃料電池から引き出される電力を制限することを含むことを特徴とする請求項８記載の燃料電池水平衡化方法。
【請求項１２】
第１の水の基準量は、蓄積装置の容量の約７５％であり、第２の水の基準量は、蓄積装置の容量の約２５％であることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池水平衡化方法。
【請求項１３】
供給源から水を受け取る燃料電池と、
供給源内の水の量に応じて燃料電池から伝達される水蒸気の量を選択的に変化させる制御装置と、
を備えることを特徴とする燃料電池アッセンブリ。
【請求項１４】
供給源は、蓄積装置貯蔵器から成ることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１５】
燃料電池は、供給源に伝達される液体水を生成することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１６】
水蒸気は、燃料電池から環境へと排出されることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１７】
供給源から燃料電池に液体水を伝達する導管を備えることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１８】
制御装置は、燃料電池に流入する反応物の圧力を変化させる装置の作動を開始することを特徴とする請求項１７記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１９】
前記装置は、弁または圧縮機、またはこれらの両方であることを特徴とする請求項１８記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項２０】
制御装置は、燃料電池に流入する反応物の流量を変化させる装置の作動を開始することを特徴とする請求項１７記載の燃料電池アッセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に水平衡化に関し、より詳細には燃料電池システム内の水平衡を維持することに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムはよく知られている。燃料電池システムの一例は、スタック内に配列された複数の個々の燃料電池を備える。各個々の燃料電池は、プロトン交換膜のそれぞれの側に配置されたアノードおよびカソードを有する。プロトン交換膜のアノード側には水素などの燃料が供給される。プロトン交換膜のカソード側には空気などの酸化剤が供給される。個々の燃料電池は作動中に水を生成する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料電池には、熱エネルギーを除去するとともに燃料電池を水和させるために燃料電池アッセンブリを通して液体水を移動するものがある。液体水の供給は、特に移動式の燃料電池システムでは制限される可能性がある。燃料電池は、受け取る液体水の量が不十分な場合や、排出される水蒸気が過剰な場合、乾燥することで過熱や故障する可能性がある。燃料電池システム内の水を平衡化することで、過熱や乾燥を防止し、燃料電池システムが効率的に作動する助けとなる。燃料電池システム以外のシステムも水平衡化を必要とする可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
実施例のシステム水平衡化方法は、システムから水蒸気を排出し、システムによる使用に利用可能な水の量に応じて排出を変化させる、ことを含む。
【０００５】
例示的な燃料電池水平衡化方法は、燃料電池アッセンブリによる使用に利用可能な水の量を検出し、検出に応じて燃料電池から排出される水蒸気を制限する、ことを含む。
【０００６】
例示的な燃料電池アッセンブリは、燃料電池と、制御装置と、を備える。燃料電池は、供給源から水を受け取る。制御装置は、供給源内の水の量に応じて燃料電池から伝達される水蒸気の量を選択的に変化させる。
【０００７】
開示の実施例のさまざまな特徴および利点は、当業者には詳細な説明から明らかとなるであろう。詳細な説明に付随する図面は、以下のように簡単に説明され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例の燃料電池システムを示す高度な概略図。
【図２】別の実施例の燃料電池システムを示すより詳細な図。
【図３】図２のシステムの燃料電池内の水平衡を維持する概略の方法を示す図。
【図４】図２のシステムの燃料電池内の水平衡を維持するより詳細な方法を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１を参照すると、実施例の燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、水の供給源１４とを備える。燃料電池１２は、供給源１４から水を受け取る。水は、経路１６に沿って燃料電池１２へと伝達される。水は、水和させるとともに熱エネルギーを除去するように燃料電池１２を通って移動する。燃料電池１２を通って移動した後、水の少なくとも一部は、排気管１８を通って水蒸気として燃料電池１２から排出される。排気管１８を通って移動する水蒸気は、燃料電池システム１０から排出されるように環境へと移動する。残りの水は、液体水として経路２０に沿って供給源１４に戻るように移動する。いくつかの実施例では、排気管１８を通って燃料電池システム１０から排出されなかった水蒸気は、凝縮して、供給源１４に加えられることができる。
【００１０】
この実施例では、制御装置２２が、排気管１８を通って燃料電池システム４４から排出される水蒸気の量を変化させる。実施例の制御装置２２は、供給源１４内の水の利用可能性に基づいて燃料電池１２から排出される水蒸気を変更する。制御装置２２は、排気管１８を通って燃料電池１２から排出される水蒸気の量を変更するように、燃料電池１２に流入する空気の圧力または空気流量を調節することができる。
【００１１】
圧力を増大させることなどにより燃料電池１２に流入する空気の圧力を調節することは、どのようにして制御装置２２が排気管１８を通って燃料電池１２から排出される水蒸気の量を変化させることができるかの一例である。空気は、酸素を含有するので、この例では反応物と見なされる。
【００１２】
別の実施例では、制御装置２２は、燃料電池１２に流入する改質物の圧力を増大させることなどにより、燃料電池１２に流入する別の反応物の圧力を調節することで水の排出を変化させる。改質物は、水素を含有する。
【００１３】
図１への参照を継続しながらここで図２を参照すると、別の実施例の燃料電池システム４０は、アノード４８とカソード５２とを有する燃料電池４４を備える。プロトン交換膜５６が、カソード５２からアノード４８を隔てる。燃料電池４４は、燃料電池スタック内のいくつかの燃料電池のうちの１つである。
【００１４】
燃料供給源６０が、水素などの燃料を燃料電池４４のアノード４８に供給する。燃料の一部は、燃料排気管６４を通って燃料電池４４から排出される。一部の水蒸気は、燃料排気管６４を通って燃料と共に排出されることができる。
【００１５】
排出される燃料の一部は、アノード４８内に戻るように再循環されることができる。燃料を再循環させることで、燃料効率を向上させる助けとなる。燃料の一部を再循環させることで、燃料が再循環されなかった場合に比較して燃料排気管から失われる水蒸気が少なくなるので、水平衡を維持する助けとなることもできる。
【００１６】
酸化剤供給源６８は、空気などの酸化剤を燃料電池４４のカソード５２に供給する。空気の一部は、空気排気管７２を通して燃料電池４４から排出される。
【００１７】
図２に示されるシステム４０などの水素−空気ＰＥＭ型燃料電池システムは、副生成物として水を生成する。水の一部は、水蒸気として燃料電池４４から排出され、空気排気管７２を通って燃料電池から排出される空気によって運ばれる。燃料電池４４内の化学反応によって、排出される空気によって運ばれる水蒸気が生成される。
【００１８】
燃料電池４４内の化学反応によって、水蒸気のほかに液体水が生成される。この実施例では、液体水は、経路８０に沿って蓄積装置貯蔵器７６に移動される。経路８０に沿って移動する液体水は、熱を車両のラジエータ流体に移動する液−液熱交換器を通過することができる。
【００１９】
空気も経路８０に沿って移動することができる。この空気は、空気から水蒸気を凝縮させる凝縮器・分離器を通過することができる。凝縮水は次いで、蓄積装置貯蔵器７６に加えられる。空気の残り（依然としていくらかの水蒸気を含む）は次いで、環境に排出される。液−液熱交換器があるだけの（凝縮器がない）場合、カソード５２から出てくる水蒸気は全て排出される。
【００２０】
蓄積装置貯蔵器７６は、燃料電池４４に水の外部供給源を提供する。液体水は次いで必要に応じて経路８２に沿って燃料電池に戻るように伝達される。ポンプ（図示せず）が、経路８０、８２に沿って液体水を移動するのに使用される。
【００２１】
従って蓄積装置貯蔵器７６内の液体水の一部は、燃料電池４４によって生成された水とすることができる。蓄積装置貯蔵器７６からの水は、燃料電池を通過しながら熱を吸収し温度が上昇することで燃料電池を「賢く」冷却するのに使用されることができる。代替としてまたは追加として、冷却材水は、空気（または他の反応物気体）流の中へ蒸発することで燃料電池を「蒸発によって」冷却することができる。蓄積装置貯蔵器７６に戻るように移動する液体水は、蒸発に必要な量を超えて提供された液体水と、経路８０に沿って移動する空気から凝縮する液体水とから成る。
【００２２】
従って経路８０に沿って燃料電池４４から伝達される液体水の量は、燃料電池４４によって再利用され、燃料電池システム４０から排出されない。これとは対照的に、空気排気管７２を通って燃料電池４４から移動する水蒸気の大部分は、燃料電池システム４０から出てゆく。実施例の燃料電池システム４０は、移動式のシステム（車両用のシステムなど）であり、水の無限の供給源を利用できるものではない。
【００２３】
システム４０から排出される水蒸気の全量が、燃料電池４４によって生成される水に等しい場合、システム４０は、水平衡状態で作動しているということができる。システム４０から排出される水蒸気の全量が、燃料電池４４によって生成される水より多い場合、システム４０は、負の水平衡状態で作動しているということができる。システム４０から排出される水蒸気の全量が、燃料電池４４によって生成される水より少ない場合、システム４０は、水過剰状態で作動しているということができる。
【００２４】
実施例のシステム４０では、制御装置８４は蓄積装置貯蔵器７６に取り付けられた検出器８８ａ、８８ｂに作動的に接続される。第１の検出器８８ａは、蓄積装置貯蔵器７６内の水のレベルがレベルＬ1より高いかを判断するために使用される。第２の検出器８８ｂは、蓄積装置貯蔵器７６内の水のレベルがレベルＬ2を超えるかを判断するために使用される。
【００２５】
この実施例では、レベルＬ1はレベルＬ2より高い。理解できるように、蓄積装置貯蔵器７６内の水の量は、水のレベルがレベルＬ1にあるときの方が水のレベルがレベルＬ2にあるときより多くなる。
【００２６】
検出器８８ａ、８８ｂは、燃料電池４４による使用に利用可能な水の量を決定するように、蓄積装置貯蔵器７６の特定の高さにある水の存在を検出する。他のいくつかの実施例は、燃料電池４４による使用への水の利用可能性を決定する他の技術を有することができる。
【００２７】
実施例の制御装置８４は、検出器８８ａ、８８ｂによって提供される情報に応じて燃料電池４４に伝達される空気を調節する。この実施例では、制御装置８４は、空気排気管７２を通って燃料電池システム４０から排出される水蒸気の量を増大または減少させるために酸化剤供給源６８からの空気を調節する。
【００２８】
この実施例では、制御装置８４は、弁９０または他の装置を作動させて燃料電池４４に流入する空気の圧力を調節し、それによって、排気管７２を通って燃料電池システム４０から排出される水蒸気の量を変更する。別の実施例では、制御装置８４は、弁９０を作動させて燃料電池４４に流入する空気の流量を調節し、それによって、排気管７２を通って燃料電池システム４０から排出される水蒸気の量を変更する。他のいくつかの実施例は、空気を燃料電池４４に供給する圧縮機を調節するなどといった、燃料電池システム４０から排出される水蒸気の量を変更する他の技術を用いる。
【００２９】
制御装置８４のさまざまな機能を実行するために多くの計算装置を用いることができるであろう。一実施例では、制御装置は、制御装置の記憶装置部分に記憶されたプログラムを実行するマイクロプロセッサを備える。
【００３０】
図２への参照を継続しながら図３を参照すると、制御装置８４によって利用される実施例の方法１００であって、システム４０内の水を平衡化する実施例の方法１００は、ステップ１１０において、燃料電池システム４０から水蒸気を排出し、次いで、ステップ１２０において、燃料電池４４による使用に利用可能な水の量に基づいて排出を変化させる。
【００３１】
ステップ１１０は、燃料電池４４による使用に利用可能な水の量を決定するように、検出器８８ａ、８８ｂからの情報を利用する。この実施例では使用に利用可能な水の量は蓄積装置貯蔵器７６内に全部含まれているものとして示されているとはいえ、本開示の恩恵を受ける当業者ならば、水の量が他の領域に拡張されることができ、適切な検出（または他の）装置によって監視されることができることを理解するであろう。
【００３２】
図４は、システム４０内の制御装置８４によって利用される、より詳細な制御の方法２００を示す。ステップ２１０において、制御装置８４は、燃料電池４４による使用に利用可能な水の量が量Ｘ1より多いかを判断する。この実施例では、量Ｘ1は、蓄積装置貯蔵器７６内の水がレベルＬ1を超えるのに相当する。ステップ２１０において、制御装置８４はまた、燃料電池４４に供給されている空気の圧力が可能な最小限の圧力より大きいかを判断する。知られているように、不必要な圧力を提供することは非効率である。
【００３３】
制御装置８４は、水がＸ1より多くかつ圧力が可能な最小限の圧力Ｐminより大きいと判断した場合、ステップ２２０において、燃料電池４４に供給されている空気の圧力を減少させる。
【００３４】
利用可能な水がＸ1より多くないおよび／または供給される空気の圧力が可能な最小限の圧力Ｐminより大きくない場合、制御装置８４は、ステップ２３０に進む。このステップにおいて、制御装置８４は、利用可能な水がＸ1より少ないかおよび燃料電池４４に供給される空気の圧力が可能な最大限の圧力Ｐmaxより小さいかを判断する。もしそうである場合、制御装置８４は、ステップ２４０に進み、そこで、制御装置８４は、燃料電池４４に供給される空気の圧力を増大させる。
【００３５】
ステップ２３０に対する応答が否定的な場合、制御装置８４は次にステップ２５０において、利用可能な水がＸ2より多いかを判断する。この実施例では、Ｘ2は、図２に示されるレベルＬ2に相当する。レベルＬ2は、レベルＬ1より低く、水がレベルＬ1にあった場合より、燃料電池４４による使用に利用可能な水が少ないことを示す。
【００３６】
より詳細には、この実施例では、レベルＬ1は、蓄積装置貯蔵器７６がその可能な容量全体の約７５％まで満たされていることを示す。レベルＬ2は、蓄積装置貯蔵器７６がその容量の２５％まで満たされていることを示す。
【００３７】
ステップ２５０において、利用可能な水がＸ2より多い場合、方法２００および制御装置８４は、ステップ２６０において、燃料電池４４に供給される空気の圧力を維持する。ステップ２５０において、利用可能な水がＸ2より多くない場合、方法２００および制御装置８４は、ステップ２７０において、燃料電池４４から引き出される電力を制限することができる。
【００３８】
一実施例では、ステップ２７０において燃料電池から引き出される電力を制限することは、燃料電池４４から引き出される可能な電力に対する現在の制限を低減することを含む。例えば、燃料電池４４が車両に電力供給するのに使用される場合、燃料電池４４から引き出される電力に対する現在の制限は、８０ｋＷとすることができる。ステップ２５０に対する応答が、利用可能な水がＸ2より少ないということである場合、制御装置８４は、方法のステップ２７０において、現在の制限をより低いレベル、例えば６０ｋＷに低減する。
【００３９】
制御装置８４は、経路８０を介して蓄積装置貯蔵器７６に補給するのに十分な水が燃料電池４４によって生成されるのを保証するように、より低い制限、例えば４０ｋＷを規定することもできる。
【００４０】
上記の説明は、本質的に限定ではなく例示である。本開示の本質から必ずしも逸脱しない、開示の実施例に対する変更および修正が、当業者には明らかとなり得る。従って、本開示に与えられる法的保護範囲は、添付の特許請求の範囲を検討することでのみ決定可能である。
【図１】
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【図２】
2015504587.tif 000004
【図３】
2015504587.tif 000005
【図４】
2015504587.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成26年6月16日(2014.6.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
システムから水蒸気を排出し、
システムによる使用に利用可能な水の余剰分に応じて排出を変化させる、
ことを含むことを特徴とする、水平衡化方法。
【請求項２】
前記の変化させることは、システムに流入する反応物の圧力を増大させることを含むことを特徴とする請求項１記載のシステム水平衡化方法。
【請求項３】
前記の変化させることは、システムに流入する反応物の流量を減少させることを含むことを特徴とする請求項１記載のシステム水平衡化方法。
【請求項４】
水の余剰分は、蓄積装置貯蔵器内の水のレベルから成ることを含むことを特徴とする請求項１記載のシステム水平衡化方法。
【請求項５】
システムによる使用に利用可能な水の量に応じてシステムから引き出される電力を制限することを含むことを特徴とする請求項１記載のシステム水平衡化方法。
【請求項６】
最大電力引き出しおよび最小電力引き出し制限を適用することにより、引き出される電力を制限することを含むことを特徴とする請求項５記載のシステム水平衡化方法。
【請求項７】
システムは、燃料電池システムであることを特徴とする請求項１記載のシステム水平衡化方法。
【請求項８】
燃料電池による使用に利用可能な水の余剰分を検出し、
検出に応じて燃料電池システムから排出される水蒸気を制限する、
ことを含むことを特徴とする燃料電池水平衡化方法。
【請求項９】
燃料電池から引き出される電力を制限することを含むことを特徴とする請求項８記載の燃料電池水平衡化方法。
【請求項１０】
最大電力引き出しおよび最小電力引き出し制限を適用することにより制限することを含むことを特徴とする請求項９記載の燃料電池水平衡化方法。
【請求項１１】
水の量が第１の水の基準量より少ない場合、燃料電池から排出される水蒸気を制限し、水の量が第１の水の基準量より少ない第２の水の基準量より少ない場合、燃料電池から引き出される電力を制限することを含むことを特徴とする請求項８記載の燃料電池水平衡化方法。
【請求項１２】
第１の水の基準量は、蓄積装置の容量の約７５％であり、第２の水の基準量は、蓄積装置の容量の約２５％であることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池水平衡化方法。
【請求項１３】
供給源から水を受け取る燃料電池と、
供給源内の水の余剰分に応じて燃料電池から伝達される水蒸気の量を選択的に変化させる制御装置と、
を備えることを特徴とする燃料電池アッセンブリ。
【請求項１４】
供給源は、蓄積装置貯蔵器から成ることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１５】
燃料電池は、供給源に伝達される液体水を生成することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１６】
水蒸気は、燃料電池から環境へと排出されることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１７】
供給源から燃料電池に液体水を伝達する導管を備えることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１８】
制御装置は、燃料電池に流入する反応物の圧力を変化させる装置の作動を開始することを特徴とする請求項１７記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項１９】
前記装置は、弁または圧縮機、またはこれらの両方であることを特徴とする請求項１８記載の燃料電池アッセンブリ。
【請求項２０】
制御装置は、燃料電池に流入する反応物の流量を変化させる装置の作動を開始することを特徴とする請求項１７記載の燃料電池アッセンブリ。
【国際調査報告】
2015504587.tif 000007
2015504587.tif 000008