(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＥＭ型燃料電池装置であって、
冷媒入口、冷媒出口、燃料入口、燃料出口、空気入口、空気出口、を有し、前記空気入口は、ＰＥＭ型燃料電池装置の周囲温度の新鮮な空気の供給源に接続される、ＰＥＭ型燃料電池と、
調整可能な空気流の分割装置であって、入口、第１の出口、第２の出口、前記空気流の分割送置の前記第１の出口から循環空気として排出される排出空気の体積の、前記第２の出口から排出される排出空気の体積に対する比（前記第２の出口からの排出空気の体積に対する前記循環空気の体積の比）を調整するための制御入力部を備え、前記空気流の分割装置の前記入口は、前記ＰＥＭ型燃料電池の前記空気出口に接続され、前記空気流の分割装置の前記第１の出口は、前記ＰＥＭ型燃料電池の前記空気入口に通じている、前記調整可能な空気流の分割装置と、
ＰＥＭ型燃料電池装置の周囲温度を測定し、ＰＥＭ型燃料電池装置の周囲温度を示す温度信号を発生する周囲温度測定装置と、
前記ＰＥＭ型燃料電池の電極に接続され、前記ＰＥＭ型燃料電池により発生される電力出力を測定し、前記ＰＥＭ型燃料電池の定格電力に対する前記ＰＥＭ型燃料電池により発生される電力出力の割合を示す電力信号を発生する電力測定装置と、
前記周囲温度測定装置、前記電力測定装置に接続された入力部、前記空気流の分割装置の前記制御入力部に接続された出力部を備え、測定された前記周囲温度と電力出力で前記ＰＥＭ型燃料電池の前記空気出口から排出される空気を通して前記ＰＥＭ型燃料電池から失われる水の量と、前記ＰＥＭ型燃料電池で電気化学反応によって生成される水の量とのバランスを維持するために、前記ＰＥＭ型燃料電池装置の前記第２の出口からの排出空気の体積に対する前記循環空気の体積の比を、所定の値に調整するために、前記空気流の分割装置を制御する、プロセッサと、
を備えることを特徴とするＰＥＭ型燃料電池装置。
【請求項２】
前記ＰＥＭ型燃料電池の前記空気出口から排出される排出空気の体積の３分の２（前記第２の出口からの排出空気の体積に対する前記循環空気の体積の比が２）を、前記ＰＥＭ型燃料電池の前記空気入口に戻すために切り換えるように、前記プロセッサは、前記空気流の分割装置を調整することを特徴とする請求項１記載のＰＥＭ型燃料電池装置。
【請求項３】
前記空気流の分割装置は、新鮮な空気がＰＥＭ型燃料電池を１回通過する単通過の場合の空気流に対する３０％の空気利用率から５５％の空気利用率に増加させるために、前記ＰＥＭ型燃料電池の前記空気出口から排出される排出空気の体積の所定の一部を前記循環空気として前記ＰＥＭ型燃料電池の前記空気入口に戻すように切り換えることを特徴とする請求項１記載のＰＥＭ型燃料電池装置。
【請求項４】
前記ＰＥＭ型燃料電池装置に貯蔵されている冷媒の液面高さが、所定の液面高さより低下した場合、前記第２の出口からの排出空気の体積に対する前記循環空気の体積の比を増加させるように、前記プロセッサを導くための、前記プロセッサの入力部に接続された冷媒液面高さ検出器をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のＰＥＭ型燃料電池装置。
【請求項５】
ＰＥＭ型燃料電池装置を作動させる方法であって、
ＰＥＭ型燃料電池を備え、
燃料を、燃料入口と燃料出口を介して、前記ＰＥＭ型燃料電池を通して運び、
冷媒を、冷媒入口と冷媒出口を介して、前記ＰＥＭ型燃料電池を通して運び、
ＰＥＭ型燃料電池装置の周囲温度の新鮮な空気を、空気入口と空気出口を介して、前記ＰＥＭ型燃料電池を通して運び、
前記ＰＥＭ型燃料電池装置の周囲温度を測定し、
前記ＰＥＭ型燃料電池の電力出力を測定し、
測定された前記周囲温度と電力出力で前記ＰＥＭ型燃料電池の前記空気出口から排出される空気を通して前記ＰＥＭ型燃料電池から失われる水の量と、前記ＰＥＭ型燃料電池で電気化学反応によって生成される水の量とのバランスを維持するために、前記ＰＥＭ型燃料電池の前記空気出口から排出される排出空気の体積の所定の一部を循環空気として前記ＰＥＭ型燃料電池の前記空気入口に戻すように切り換えて、前記排出空気の残部の体積に対する前記循環空気の体積の比を所定の値に調整するために空気流の分割装置を制御する、
ことを特徴とするＰＥＭ型燃料電池装置を作動させる方法。
【請求項６】
前記ＰＥＭ型燃料電池の前記空気入口に戻される前記排出空気の体積の前記所定の一部が、３分の２（すなわち、前記排出空気の残部の体積に対する前記循環空気の体積の比が２）であることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記ＰＥＭ型燃料電池を備えることには、前記ＰＥＭ型燃料電池の前記空気出口から排出される排出空気の一部が前記ＰＥＭ型燃料電池の前記空気入口に戻される前記ＰＥＭ型燃料電池装置に対して５５％の空気利用率を達成するために、新鮮な空気がＰＥＭ型燃料電池を１回通過する単通過の場合の空気流に対する３０％の空気利用率を達成するＰＥＭ型燃料電池を備えることが含まれることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記燃料を運ぶことには、４０％〜４５％の水素（乾燥基準）を含む燃料を運ぶことが含まれることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項９】
さらに、前記ＰＥＭ型燃料電池装置に貯蔵されている冷媒の液面高さを測定し、前記冷媒の液面高さが所定の液面高さより低下した場合、前記ＰＥＭ型燃料電池の前記空気入口に戻るように切り換えられる排出空気の体積の一部を増加させるように、前記空気流の分割装置を調整することを特徴とする請求項５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、一般的にＰＥＭ型燃料電池の作動に関し、特に、高温の周囲の作動温度で水のバランスすなわち自己充足を維持するＰＥＭ型燃料電池の装置および方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
電解質により規定されるさまざまな型式の燃料電池には、特定の設計が必要である。プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池では、効果的な水の制御装置を備えることが必要である。ＰＥＭ型燃料電池は、それぞれの多孔質のカソード電極とアノード電極の間に閉じ込められた膜を備える。これらの電極は、比較的薄い触媒層と多孔質の保持プレートの組み合わせを備え、触媒層は、プロトン交換膜のそれぞれの主要な表面の上や、多孔質の保持プレートの上に、被覆される。通常、燃料電池は、気体状の燃料と酸化剤をアノード電極とカソード電極にそれぞれ供給することにより、作動する。これらの気体燃料と気体酸化剤の供給手段は、気体状の燃料と酸化剤を、それぞれの電極の触媒化された表面に亘ってできるだけ均一に供給する。ＰＥＭ型燃料電池では、燃料電池が作動する際に、電極で生じる電気化学反応によって、アノード電極において電子と水素イオンが生成する。電子は、外部の負荷回路を通ってカソード電極へ流れ、水素イオンは、膜を通ってカソード電極へ流れ、それらはそこで酸素と反応し、水を生成するとともに、熱エネルギーを放出する。燃料電池は、燃料電池の過熱を防止するために、セルスタックの中にある電極の近くに水を案内するための冷媒通路を備える。
【０００３】
燃料電池から蒸発し、装置の排気を通して除去されて失われる水は、セルスタックの中で生じる化学反応の副生成物として生成する、燃料処理には少しも必要とされない水によって、バランスを取るのが好ましい。水のバランスによって、水は閉回路装置の中で循環処理され、それによって、燃料電池装置に水を補充する必要を回避し、費用を削減することができる。水のバランスすなわち自己充足を維持するのは、例えば、補充するための外部の水の供給源に定常的には接触しない自動車などに電力を供給する場合、重要である。
【０００４】
例えば、ガソリンを燃料とし周囲圧力で作動するＰＥＭ型燃料電池からなる動力装置は、水が自己充足される必要があり、存続可能となるのに十分に総合された装置である。自己充足とは、燃料処理装置の中でガソリンを水素に変換するために必要とされる水を供給するのに、燃料電池の中の化学反応の結果として生成される水が十分に、装置によって回収される必要があることを意味する。水は、燃料電池の中で電気化学反応の結果として生成し、通常の手段により液体や蒸気として燃料電池から除去される。排出ガス流中の水蒸気は、排出空気を冷却するために排出空気を凝縮器に通して、凝縮液を生成することにより、部分的に回収される。凝縮液は、回収、蓄積され、必要に応じて、燃料処理装置に供給される。単通過の空気流を使用するＰＥＭ型燃料電池には、自己充足するのに十分な水が回収されない周囲の温度条件がある。
【０００５】
プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池にとって、水を自己充足させる制御装置の欠点は、比較的乾燥した周囲の空気を反応物の１つとして使用することによって、高温の周囲温度で作動する間に、反応物の水素と酸素の反応により生成するよりも多量の水を失う傾向があることである。さらに、高温の周囲の作動温度で過剰の水が失われることによって、セルスタックの膜が乾燥し、永続する損傷を受ける。
【０００６】
上述の問題に対応するために、本発明の目的は、高温の周囲温度で水のバランスを維持する際に、従来のＰＥＭ型燃料電池装置の欠点や不利益を克服するＰＥＭ型燃料電池装置を提供することである。
【０００７】
【発明の開示】
本発明の１つの側面では、ＰＥＭ型燃料電池装置は、冷媒入口、冷媒出口、燃料入口、燃料出口、空気入口、空気出口、を有するＰＥＭ型燃料電池を備える。空気入口は、ほぼ周囲温度の新鮮な空気の供給源に接続される。空気流用の弁などの調整可能な空気流の分割装置が、入口、第１の出口、第２の出口、空気流の分割送置の第１の出口から排出される排出空気の体積の、第２の出口から排出される排出空気の体積に対する割合（排出空気に対する循環空気の割合）を調整するための制御入力部、を備える。空気流の分割装置の入口は、ＰＥＭ型燃料電池の空気出口に接続される。空気流の分割装置の第１の出口は、ＰＥＭ型燃料電池の空気入口に通じている。周囲温度を測定する装置が、温度信号を発生するために、備えられる。電力を測定する装置が、燃料電池により発生する定格電力の割合を示す電力信号を発生するために、燃料電池の電極に接続される。プロセッサが、温度測定装置、電力測定装置に接続された入力部、空気流の分割装置の制御入力部に接続された出力部、を備える。検出された周囲の作動温度で燃料電池装置の全体の水のバランスを維持するために、プロセッサは、燃料電池装置の排出空気に対する循環空気の割合を、燃料電池装置の電力出力の関数としての所定の値に調整するために、空気流の分割装置を制御する。燃料電池装置は、冷媒の液面高さ検出器を備え、燃料電池装置に貯蔵されている水量が、所定の値すなわち液面高さより低下した場合、排出空気に対する循環空気の割合を幾分増加させることもできる。
【０００８】
本発明の別の側面では、ＰＥＭ型燃料電池装置を作動させる方法は、ＰＥＭ型燃料電池を備えることを含む。燃料すなわち改質燃料が、燃料入口と燃料出口を介して、ＰＥＭ型燃料電池を通して運ばれる。冷媒が、冷媒入口と冷媒出口を介して、ＰＥＭ型燃料電池を通して運ばれる。ほぼ周囲温度の新鮮な空気が、空気入口と空気出口を介して、ＰＥＭ型燃料電池を通して運ばれる。燃料電池の周囲の作動温度、燃料電池の電力出力、が測定される。検出された周囲の作動温度で燃料電池装置の全体の水のバランスを維持する、燃料電池の定格電力出力の所定の割合に、燃料電池の電力出力を調整するために、排出空気の体積の所定の一部を燃料電池の空気入口に戻すために切り換えるように、空気流の分割装置は、調整される。
【０００９】
【発明を実施するための最良の形態】
さて、図１を参照すると、ＰＥＭ型燃料電池装置が、全体を参照番号１０で示されている。燃料電池装置１０は、少なくとも１つのアノード電極１４、カソード電極１６、アノード電極１４とカソード電極１６の間に設けられたプロトン交換膜１９、冷却部１８、を備えるＰＥＭ型燃料電池１２から成る。燃料電池１２は、燃料入口２０、燃料出口２２を備え、これらは、協同して、セルスタックのアノード電極１４に、ガソリン、エタノール、メタン、メタノールなどを改質して得られる燃料などの、予備加熱された水素に富んだ燃料すなわち改質燃料を、供給する。燃料入口２０は、改質燃料を処理する改質装置などの通常の燃料処理装置２５から水素に富んだ燃料を受け取るために、燃料供給ライン２４に通じている。燃料出口２２は、排出された燃料を、例えば、燃焼装置（図示せず）に運んで戻すために、燃料排出ライン２６に通じている。ＰＥＭ型燃料電池１２は、さらに、セルスタックのカソード電極１６に周囲の空気を供給するために、処理空気入口２８、処理空気出口３０を備える。処理空気入口２８は、例えば、送風機３３により燃料電池に供給される処理空気を受け取るために、処理空気供給ライン３２に通じている。処理空気出口３０は、燃料電池１２から排出処理空気を運び出すために、空気排出ライン３４に通じている。セルスタックが、燃料と処理空気の電気化学反応から電気を発生するにつれて、過熱するのを防止するために、セルスタックの近くに水または他の冷媒を供給するように、燃料電池１２は、さらに、冷媒入口３６、冷媒出口３８を備える。冷媒入口３６は、水槽などの水の供給源３７から冷媒を受け取るために、冷媒供給ライン４０に通じている。冷媒出口３８は、例えば、放熱器により冷却するように、燃料電池１２から冷媒を運び出すために、冷媒排出ライン４２に通じている。
【００１０】
燃料電池装置１０は、さらに、排出処理空気の体積の所定の割合すなわち一部を処理空気入口２８に戻すように切り換える手段すなわち空気流の分割装置を備える。この切り換え手段は、例えば、調整可能な空気流用の弁４４によって実現することもできる。空気流用の弁４４は、ＰＥＭ型燃料電池１２の処理空気出口３０に通じる、排出空気を受け取るための入口４８、空気循環ライン５２に沿って排出空気を切り換えるための第１の出口５０、水を回収する凝縮器５５に残りの排出処理空気を吐出すなわち排出するための第２の出口５４、を備える。水を回収する凝縮器５５は、そこで形成された凝縮液を、水の供給源３７に供給する。混合点４６は、例えば、送風機３３により供給される新鮮な周囲の空気を受け取り、さらに、切り換えられた排出処理空気を、送風機５９を介して、空気循環ライン５２から受け取る。新鮮な空気と排出されたすなわち湿った処理空気の混合物は、次に、ＰＥＭ型燃料電池１２の処理空気入口２８に、混合点４６から供給される。混合点４６は、図１に示されるように、処理空気入口２８から離れていてもよいし、あるいは、処理空気入口にあってもよい。
【００１１】
燃料電池装置１０は、さらに、電力信号を発生するための第１の入力部７２、第２の入力部７４を有する電力測定装置７０を備え、この電力信号は、燃料電池１２のアノード電極、カソード電極からそれぞれ発生し、第１の入力部７２、第２の入力部７４へのラインに沿った電気信号の入力に基づいて、発生する。温度測定装置７６が、燃料電池装置１０の周囲の作動温度を検出する。冷媒液面高さ検出器３９が、水の供給源３７の水位を検出する。通常のマイクロプロセッサ７８などのプロセッサが、電力測定信号、周囲温度の測定信号、冷媒液面高さ検出器の測定信号をそれぞれ受け取るための第１、第２、第３の入力部８０、８２、８７を備える。水のバランスを維持するために、燃料電池１２の定格電力出力の割合と周囲温度の関数として、ＰＥＭ型燃料電池１２の処理空気入口２８に戻すように切り換えられる排出処理空気の一部を調整するための、空気流用の弁４４の制御入力部に結合される出力部８４を、マイクロプロセッサ７８は備える。
【００１２】
低い液面高さの検出器などの冷媒液面高さ検出器３９は、燃料電池装置の電力出力や周囲温度とは無関係に水のバランスを維持するための付加的な安全装置として使用することができる。例えば、水槽３７に貯蔵されている冷媒の量が、所定の液面高さすなわち値より低下した場合、冷媒液面高さ検出器３９は、プロセッサ７８に信号を送り、排出空気に対する循環空気の割合を幾分増加させるように、プロセッサ７８を導く。
【００１３】
水のバランスすなわち自己充足を維持するために、例えば、ガソリンと空気で名目上の周囲温度で作動する通常のＰＥＭ型燃料電池装置は、周囲の作動温度が約２３．９℃（約７５°Ｆ）に制限される。より高温の周囲温度で作動する燃料電池は、セルスタックで生成されるより多量の水を失い、従って、燃料処理のための埋め合わせの水が必要となる。実際、約３７．８℃（約１００°Ｆ）の周囲温度では、通常のＰＥＭ型燃料電池装置は、その作動電力範囲の全体に亘って、埋め合わせの水が必要となる。
【００１４】
ＰＥＭ型燃料電池の水をバランスさせる１つの要因は、処理空気入口２８で受け取られる処理空気中の湿度すなわち湿気の量と、処理空気出口３０から排出される処理空気中の湿度すなわち湿気の量との間の差にある。通常のＰＥＭ型燃料電池は、燃料電池を１回通過する周囲の処理空気を通常使用する。改質燃料すなわち燃料からの水素が処理空気中の酸素と反応するにつれて生成する水に由来してセルスタックのカソード電極側で拾われた湿気を有する燃料電池から排出される処理空気に比較して、燃料電池に供給される周囲の空気は、乾燥している。燃料電池に供給される比較的乾燥した周囲の空気と、燃料電池から排出される湿った処理空気の間には、蒸気圧に幾分大きな差があるので、セルスタックでの電気化学反応によって生成するより多量の水が、蒸発により排出処理空気を通して失われることになる。
【００１５】
排出処理空気の一部を循環させることによって、ガソリンと空気に基づく動力装置に対して、例えば、約３２．２℃〜約３７．８℃（約９０°Ｆ〜約１００°Ｆ）などの、より高温の周囲温度で水のバランスが得られることが判明した。処理空気入口２８に供給される前に新鮮な空気と組み合わされた湿った排出処理空気によって、燃料電池１２の処理空気入口２８での処理空気の湿度（すなわち露点）が上昇する。その結果として、燃料電池１２の処理空気入口２８と処理空気出口３０での処理空気の蒸気圧の差は、単通過の処理空気を使用する燃料電池に比較して、減少する。減少した蒸気圧差によって、燃料電池の電気化学反応によって生成される水に比較して、より少量の水しか蒸発せずに処理空気出口から排出処理空気を通して失われずに済む。この減少した蒸気圧差によって、大きな蒸気圧差を有する装置に比較して、より高温の周囲温度（すなわち約３７．８℃（約１００°Ｆ）程度）で、水のバランスすなわち自己充足が得られる。従って、単通過の処理空気を使用するＰＥＭ型燃料電池に比較して、広い範囲の周囲の作動温度に亘って、自給式の水の制御装置が達成される。さらに、多量の水の蒸発によるセルスタックの膜の乾燥や損傷の危険を最小限に抑えられる。
【００１６】
水のバランスの達成について、次に、図１を参照して説明する。作動中に、冷媒は、水の供給源３７から供給され、冷媒入口３６に供給される。冷媒によって、約３７．８℃（約１００°Ｆ）程度の周囲の作動温度で、燃料電池が過熱するのが防止される。例示として、燃料処理装置２５のガソリンの燃料処理からの飽和した約４０％〜約４５％の水素（乾燥基準）を含む改質燃料が、燃料入口２０からＰＥＭ型燃料電池１２に供給される。水素の約８０％を利用すなわち消費した反応後、燃料は、飽和した状態で、セルスタックより燃料出口２２から排出される。同時に、処理空気は、送風機３３を介して周囲温度で処理空気入口２８からＰＥＭ型燃料電池１２に供給される。電極で生じる電気化学反応によって、アノード電極で電子と水素イオンが生成する。電子は、外部の負荷回路（図示せず）を通ってカソード電極へ流れ、水素イオンは、膜を通ってカソード電極へ流れ、それらはそこで酸素と反応し、水を生成するとともに、熱エネルギーを放出する。湿った処理空気は、次に、処理空気出口３０を介してＰＥＭ型燃料電池１２から排出される。燃料電池１２から排出された処理空気は、次に、調整可能な空気流用の弁４４に入口４８から導入され、そこで、湿った排出された処理空気の一部は、弁４４の第１の出口５０を通って、送風機５９を介して、空気循環ライン５２に沿うように、切り換えられる。循環された空気は、次に、送風機３３により供給される新鮮な周囲温度の空気と、混合点４６で、組み合わされすなわち混合されて、混合された空気は、加湿される。加湿された処理空気は、次に、燃料電池１２の処理空気入口２８から供給される。
【００１７】
例えば、ＰＥＭ型燃料電池１２の処理空気出口３０から排出される処理空気の割合を調整して、処理空気入口２８に戻すように切り換えることにより、ガソリン／空気による動力装置で約３２．２℃〜約３７．８℃（約９０°Ｆ〜約１００°Ｆ）の高温の周囲の作動温度で水のバランスを維持しながら、電力の発生が達成される。この割合は、第１の空気流用の弁４４の第１の出口５０を介して燃料電池に戻すように切り換えられる空気の体積の、水を回収するために第１の空気流用の弁４４の第２の出口５４から排出される空気の体積に対する、割合として定義される、排出空気に対する循環空気の割合として表される。約３２．２℃〜約３７．８℃（約９０°Ｆ〜約１００°Ｆ）などの高温の周囲温度で水のバランスを達成するために、排出空気に対する循環空気の割合は、約２が好ましいが、周囲温度がさらに高い場合、水のバランスを維持するために、幾分高めに調整することができる。
【００１８】
処理空気を循環させることによって、単通過の処理空気流を使用する標準のＰＥＭ型燃料電池装置に比較して、処理空気出口３０より燃料電池１２から排出される処理空気はより高温になる。空気の循環によって、空気すなわち酸素の利用率が高くなる、つまり副生成物の水を生成するために処理空気で使用される酸素の割合が高くなる。例えば、単通過の処理空気流に対して空気の利用率が約３０％である通常のＰＥＭ型燃料電池装置は、排出される処理空気の体積の約３分の２を燃料電池の処理空気入口に戻すように切り換える（すなわち、排出空気に対する循環空気の割合が約２である）場合、約５５％の空気利用率を示すことになる。空気利用率の増加によって、処理空気の空気露点も上昇し、従って、燃料電池１２から排出される処理空気の温度も上昇する。より高温の処理空気によって、ＰＥＭ型燃料電池は、水の自己充足を維持しながら（すなわち、セルスタックで生成されるより多量の水を、排出処理空気を通して失わずに）、より高温の周囲の作動温度で作動することができる。
【００１９】
高温の周囲温度でＰＥＭ型燃料電池を作動させるうえでのトレードオフは、水のバランスを維持しながらＰＥＭ型燃料電池が発生することができる定格電力の割合が、周囲温度が上昇するにつれて、低下することである。別のトレードオフは、より高温の周囲温度で作動させるために、空気の循環を行うかまたは排出空気に対する循環空気の割合をさらに増加させると、処理空気中の酸素濃度が低下し、電気効率も低下する。従って、水のバランスを維持する排出空気に対する循環空気の割合の値は、周囲の作動温度と、燃料電池により発生する定格電力の割合の両方の関数である。上述したように、排出空気に対する循環空気の割合は、水のバランスの維持に対する付加的な安全装置として燃料電池装置に貯蔵される冷媒の液面高さの関数とすることもできる。
【００２０】
従って、燃料電池１２の空気流用の弁４４を介して、排出空気に対する循環空気の割合を、検出された周囲温度で水のバランスを維持することのできる水準に調整するために、マイクロプロセッサ７８は、温度測定装置７６から周囲温度情報を、電力測定装置７０から電力出力情報を、好ましくは冷媒液面高さ検出器３９から冷媒液面高さ情報を、受け取る。ＰＥＭ型燃料電池装置を周囲の作動温度の範囲に置いて、それぞれの温度に対して、水のバランスを維持しながら燃料電池装置が発生することができる定格電力出力の最も高い割合に伴う排出空気に対する循環空気の割合を決定することにより、水のバランスを維持するための排出空気に対する循環空気の割合の値は、容易に決定することができる。以下に、より十分に説明されるように、図４は、ガソリンを燃料とするＰＥＭ型燃料電池装置に対して、水のバランスを達成する、周囲の作動温度と定格電力出力の割合の間のそのような関係の一例である。
【００２１】
図２には、周囲圧力で作動するＰＥＭ型燃料電池装置で水のバランスすなわち自己充足を維持するための、さまざまな燃料での、排出処理空気の露点と装置の空気利用率の関係が示される。曲線１００、１１０、１２０、１３０、１４０は、さまざまな燃料であるガソリン、エタノール、メタン、メタノール、水素のそれぞれに対する、排出処理空気の露点と燃料電池装置の空気利用率の関係を示す。曲線１００〜１４０から理解されるように、空気の利用率が増加するにつれて、さらにより高い排出処理空気の露点で、水のバランスが維持される。空気利用率が上昇すると、燃料電池の処理空気入口と処理空気出口での処理空気の間の蒸気圧の差が減少し、それによって、排出処理空気を通して、より少量の水しか蒸発しなくなる。装置の空気利用率が増加する結果として、さらにより高い排出処理空気の露点で、水のバランスが達成され、さらに、ガソリン／空気によるＰＥＭ型燃料電池は、単通過の処理空気を使用する燃料電池に比較して、約３２．２℃〜約３７．８℃（約９０°Ｆ〜約１００°Ｆ）のより高温の周囲温度で水を失わずに作動することができる。
【００２２】
図３には、さまざまな単通過での空気利用率に応じた全体の空気利用率に対する排出処理空気の循環の関数が示される。具体的には、曲線２００、２１０、２２０、２３０、２４０はそれぞれ、３０％、４０％、５０％、５５％、６０％の単通過での空気利用率に対する全体の空気利用率を示す。曲線２００〜２４０から理解されるように、循環する排出処理空気の体積が増加（すなわち排出空気に対する循環空気の割合が増加）すると、全体の空気利用率が増加する。全体の空気利用率が増加すると、装置の排気の露点（図２）が上昇し、さらに、水のバランスを維持しながらＰＥＭ型燃料電池装置が作動する周囲温度が上昇する。
【００２３】
図４には、水のバランスを維持しながら、ガソリンを燃料とし周囲圧力で作動するＰＥＭ型燃料電池装置の定格電力出力に対する、周囲の作動温度と凝縮器の作動温度の関係が示される。図４は、約２０％の定格電力での約６０％の空気利用率（参照矢印３１２で示される２０％の定格電力に対応する横座標の位置）から、約１００％の定格電力での約３０％の空気利用率（参照矢印３１４で示される１００％の定格電力に対応する横座標の位置）へ、直線的に変化する空気利用率の一覧を示している。曲線３００は、処理空気の循環がある場合のこの関係を示し、曲線３１０は、処理空気の循環がない場合のこの関係を示している。曲線３００から理解されるように、ＰＥＭ型燃料電池のカソード電極側で処理空気を循環する利益は、燃料電池の全定格出力で燃料電池が作動する際、約３２．２℃〜約３５．０℃（約９０°Ｆ〜約９５°Ｆ）程度の周囲温度で、水のバランスが維持されることである。これとは対照的に、曲線３１０によって、単通過の処理空気流を使用するＰＥＭ型燃料電池装置では、約２３．９℃（約７５°Ｆ）程度の周囲温度で水のバランスが維持されるに過ぎないことが示される。従って、処理空気を循環することによって、ＰＥＭ型燃料電池装置は、単通過の処理空気の燃料電池装置に比較して、より広い範囲の周囲の作動温度に亘って、水のバランスを維持することができる。
【００２４】
曲線３００は、さらに、水のバランスを維持するためには周囲温度が上昇するにつれて燃料電池の定格電力出力が低下することになるという前述したトレードオフの１つを示している。例えば、曲線３００に沿った点３０２に示されるように、空気を循環して作動する燃料電池は、約３３．９℃（約９３°Ｆ）の周囲温度で全定格電力で水のバランスを維持することができる。しかしながら、曲線３００に沿った点３０４に示されるように、周囲温度が約３７．８℃（約１００°Ｆ）に上昇するにつれて、水のバランスを維持するためには、燃料電池の連続した最大電力出力は、電力出力の定格値の約６７％まで低下する。しかしながら、瞬間の電力は、影響を受けない。
【００２５】
図５には、約３７．８℃（約１００°Ｆ）の周囲温度で作動するガソリンを燃料とし周囲圧力で作動する５０ｋｗのＰＥＭ型燃料電池装置の埋め合わせの水と電力出力の関係が示される。図５は、約２０％の定格電力での約６０％の空気利用率（参照矢印４１２で示される２０％の定格電力に対応する横座標の位置）から、約１００％の定格電力での約３０％の空気利用率（参照矢印４１４で示される１００％の定格電力に対応する横座標の位置）へ、直線的に変化する空気利用率の一覧を示している。曲線４００は、排出空気に対する循環空気の割合が２で処理空気の循環があるＰＥＭ型燃料電池に対する関係を示し、曲線４１０は、処理空気の循環がないＰＥＭ型燃料電池装置での関係を示している。曲線４１０に示されるように、単通過の処理空気を使用するＰＥＭ型燃料電池装置の全定格電力出力の範囲に亘って、埋め合わせの水が必要である。これとは対照的に、図４の曲線３００に沿った点３０４にも示されるように、曲線４００では、処理空気を循環するＰＥＭ型燃料電池装置に対して、ＰＥＭ型燃料電池装置の定格電力出力の０％〜約６７％の範囲に亘って、水のバランスすなわち自己充足が維持されることが示される。
【００２６】
処理空気を循環させるこのような燃料電池装置は、例えば、自動車に電力を供給するのに適している。自動車は、長期間の間に、定格電力の１００％で作動することはほとんどない。通常、自動車は、定格電力の約２５％〜約５０％で作動する。従って、全体の水のバランスすなわち自己充足が維持されるように、自動車用の空気を循環するＰＥＭ型燃料電池装置が、巡航条件すなわち低い作動電力で水を蓄積し、高い電力作動持に水を消費するのは、適している。
【００２７】
本発明は、その例示的な実施態様について例示し説明してきたが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、その構成、詳細な説明に、前述した実施態様、さらにさまざまな他の変更、省略、追加を行い得ることは、当業者には理解されるであろう。従って、本発明は、限定としてではなく例示として例示し説明したものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  処理空気を循環させるＰＥＭ型燃料電池装置の概略図。
【図２】  燃料電池装置の水のバランスを示すグラフ。
【図３】  カソード電極での排出空気に対する循環空気の割合の、外部空気利用に対する効果を示すグラフ。
【図４】  カソード電極で空気を循環する場合と循環しない場合の、水のバランスを維持するためのＰＥＭ型燃料電池装置の凝縮器／周囲の温度と定格電力の関係を示すグラフ。
【図５】  カソード電極で空気を循環する場合と循環しない場合の、ＰＥＭ型燃料電池装置の埋め合わせの水と定格電力の関係を示すグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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