(57)【要約】【解決手段】燃料電池用のガス流れ制御システム（５０）は、ガス供給手段（６０）と加湿器（５４）とを備える。燃料電池スタックは、入口及び出口を有するカソード流れライン（２６）を備える。カソード流れライン（２６）の入口は、加湿器（５４）の出口に接続される。燃焼器（５８）は、カソード流れライン（２６）の出口からガスを受け取る入口を備える。バルブ及びバイパスラインは、加湿器（５４）及び燃料電池スタックの回りのガスを燃焼器（５８）の入口へとバイパスする。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、方向制御バルブである。ガス流量センサーは、加湿器（５４）、燃料電池スタックのカソード流れライン（２６）及びバイパスラインのうち少なくとも１つを通って流れるガスに基づきガス流量信号を発生する。ガス流量センサー及びバルブに接続された流れコントローラは、ガス流量信号に基づきバルブを制御する。【選択図】図１
2004527090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のためのガス流れ制御システムであって、
ガス供給手段と、
前記ガス供給手段に接続された入口、及び、出口を備えた加湿器と、
入口及び出口を有するカソード流れラインを備え、該カソード流れラインの前記入口は前記加湿器の前記出口に接続されている、燃料電池スタックと、
前記カソード流れラインの前記出口からガスを受け取る入口を備えた燃焼器と、
前記ガス供給手段と前記加湿器の前記入口との間に接続された一方の端部と、前記カソード流れラインの前記出口と前記燃焼器の前記入口との間に接続された反対側端部と、を有する、バイパスラインと、
前記バイパスラインに配置されたバルブと、
を備える、ガス流れ制御システム。
【請求項２】
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いずれかである、請求項１に記載のガス流れ制御システム。
【請求項３】
前記バルブは、前記ガス供給手段から、前記加湿器を通って前記燃料電池スタックへと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焼器へと流れるガスの量を制御する、請求項１に記載のガス流れ制御システム。
【請求項４】
前記加湿器、前記燃料電池スタックの前記カソード流れライン、及び、前記バイパスラインの少なくとも１つを通るガスの流れに基づいてガス流れ信号を発生するためのガス流れセンサーと、
前記ガス流れ信号に基づいて前記バルブを制御するため、前記ガス流れセンサー及び前記バルブに接続された流れコントローラと、
を更に備える、請求項１に記載のガス流れ制御システム。
【請求項５】
燃料電池のためのガス流れ制御システムであって、
ガス供給手段と、
前記ガス供給手段に接続された入口、及び、出口を備えた加湿器と、
入口及び出口を有するカソード流れラインを備え、該カソード流れラインの前記入口は前記加湿器の前記出口に接続されている、燃料電池スタックと、
前記カソード流れラインの前記出口に接続された入口を備えた燃焼器と、
前記ガス供給手段と前記加湿器の前記入口との間に配置されたバルブと、
前記ガス供給手段と前記バルブとの間に接続された一方の端部と、前記カソード流れラインの前記出口と前記燃焼器の前記入口との間に接続された反対側端部と、を有する、バイパスラインと、
を備える、ガス流れ制御システム。
【請求項６】
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いずれかである、請求項５に記載のガス流れ制御システム。
【請求項７】
前記バルブは、前記ガス供給手段から、前記加湿器を通って前記燃料電池スタックへと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焼器へと流れるガスの量を制御する、請求項５に記載のガス流れ制御システム。
【請求項８】
前記加湿器、前記燃料電池スタックの前記カソード流れライン、及び、前記バイパスラインの少なくとも１つを通るガスの流れに基づいてガス流れ信号を発生するためのガス流れセンサーと、
前記ガス流れ信号に基づいて前記バルブを制御するため、前記ガス流れセンサー及び前記バルブに接続された流れコントローラと、
を更に備える、請求項５に記載のガス流れ制御システム。
【請求項９】
燃料電池のためのガス流れ制御システムであって、
ガス供給手段と、
前記ガス供給手段に接続された入口、及び、出口を備えた加湿器と、
入口及び出口を有するカソード流れラインを備え、該カソード流れラインの前記入口は前記加湿器の前記出口に接続されている、燃料電池スタックと、
前記カソード流れラインの前記出口に接続された入口を備えた燃焼器と、
前記カソード流れラインの前記出口と前記燃焼器の前記入口との間に配置されたバルブと、
前記ガス供給手段と前記加湿器の前記入口との間に接続された一方の端部と、前記バルブと前記燃焼器の前記入口との間に接続された反対側端部と、を有する、バイパスラインと、
を備える、ガス流れ制御システム。
【請求項１０】
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いずれかである、請求項９に記載のガス流れ制御システム。
【請求項１１】
前記バルブは、前記ガス供給手段から、前記加湿器を通って前記燃料電池スタックへと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焼器へと流れるガスの量を制御する、請求項９に記載のガス流れ制御システム。
【請求項１２】
前記加湿器、前記燃料電池スタックの前記カソード流れライン、及び、前記バイパスラインの少なくとも１つを通るガスの流れに基づいてガス流れ信号を発生するためのガス流れセンサーと、
前記ガス流れ信号に基づいて前記バルブを制御するため、前記ガス流れセンサー及び前記バルブに接続された流れコントローラと、
を更に備える、請求項９に記載のガス流れ制御システム。
【請求項１３】
燃料電池のためのガス流れ制御システムであって、
ガス供給手段と、
前記ガス供給手段に接続された入口、及び、出口を備えた加湿器と、
入口及び出口を有するカソード流れラインを備え、該カソード流れラインの前記入口は前記加湿器の前記出口に接続されている、燃料電池スタックと、
前記カソード流れラインの前記出口に接続された入口を備えた燃焼器と、
前記ガス供給手段と前記加湿器の前記入口との間に配置されたバルブと、
前記バルブに接続された一方の端部と、前記カソード流れラインの前記出口と前記燃焼器の前記入口との間に接続された反対側端部と、を有する、バイパスラインと、
を備える、ガス流れ制御システム。
【請求項１４】
前記バルブは、方向制御バルブである、請求項１３に記載のガス流れ制御システム。
【請求項１５】
前記バルブは、前記ガス供給手段から、前記加湿器を通って前記燃料電池スタックへと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焼器へと流れるガスの量を制御する、請求項１３に記載のガス流れ制御システム。
【請求項１６】
前記加湿器、前記燃料電池スタックの前記カソード流れライン、及び、前記バイパスラインの少なくとも１つを通るガスの流れに基づいてガス流れ信号を発生するためのガス流れセンサーと、
前記ガス流れ信号に基づいて前記バルブを制御するため、前記ガス流れセンサー及び前記バルブに接続された流れコントローラと、
を更に備える、請求項１３に記載のガス流れ制御システム。
【請求項１７】
燃料電池のためのガス流れ制御システムであって、
ガス供給手段と、
前記ガス供給手段に接続された入口、及び、出口を備えた加湿器と、
入口及び出口を有するカソード流れラインを備え、該カソード流れラインの前記入口は前記加湿器の前記出口に接続されている、燃料電池スタックと、
前記カソード流れラインの前記出口に接続された入口を備えた燃焼器と、
前記燃料電池スタックの前記出口と前記燃焼器の前記入口との間に配置されたバルブと、
前記ガス供給手段と前記加湿器の前記入口との間に接続された一方の端部と、前記バルブに接続された反対側端部と、を有する、バイパスラインと、
を備える、ガス流れ制御システム。
【請求項１８】
前記バルブは、方向制御バルブである、請求項１７に記載のガス流れ制御システム。
【請求項１９】
前記バルブは、前記ガス供給手段から、前記加湿器を通って前記燃料電池スタックへと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焼器へと流れるガスの量を制御する、請求項１７に記載のガス流れ制御システム。
【請求項２０】
前記加湿器、前記燃料電池スタックの前記カソード流れライン、及び、前記バイパスラインの少なくとも１つを通るガスの流れに基づいてガス流れ信号を発生するためのガス流れセンサーと、
前記ガス流れ信号に基づいて前記バルブを制御するため、前記ガス流れセンサー及び前記バルブに接続された流れコントローラと、
を更に備える、請求項１７に記載のガス流れ制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に係り、より詳しくは、燃料電池及び燃焼器へのガスの流れを制御するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、幅広い様々な用途で電源として益々使用されてきている。燃料電池は、内燃エンジンの置換手段として車両で使用するためにも提案されてきている。固体ポリマー電解質燃料電池は、アノード及びカソードの間に挟まれた膜を備えている。電気化学的反応を通して電気を生成するため、水素（H2）がアノードに供給され、酸素（O2）がカソードに供給される。幾つかのシステムでは、水素源が改質物であり、酸素源が空気である。
【０００３】
前半部分の電池反応では、アノードにおける水素（H2）の分解は、陽子（H+）及び電子（ｅ-）を発生させる。膜は陽子伝達性であり、誘電体である。その結果、陽子は、膜を通して輸送され、電子は、膜に亘って接続された負荷を通って流れる。後半部分の電池反応では、カソードにおける酸素（Ｏ2）が陽子（Ｈ+）と反応し、電子（ｅ-）が水（Ｈ2Ｏ）を形成するため獲得される。
【０００４】
効率的に作動させ、最大量の電気を生成するために、燃料電池は、適切に加湿されなければならない。適切な湿度範囲を達成するために、水素の流れ及び／又は酸素の流れは、典型的には、当該技術分野で知られている幾つかの方法のうち一つにより加湿される。従来の加湿制御法は、一般に、燃料電池への水素及び酸素の流れの湿度を十分に制御することができていない。非常に多過ぎる湿度を燃料電池に提供することは、反応ガスが触媒にアクセスすることを妨害し、これにより、水素及び酸素の間の電気化学的反応を妨げ、電気の生成を減少させる。非常に少な過ぎる湿度を燃料電池に提供することは、燃料電池内の反応のために要求される陽子輸送を制限し即ち限界付け、燃料電池に物理的な損傷を与えかねない。
【０００５】
燃料電池は、燃料電池作動のための酸素を提供するため、燃料電池スタックのカソード流れラインを介して酸素の流れを通過させる。水素の豊富な燃料の流れは、燃料電池作動のための水素を提供するため、燃料電池スタックのアノード流れラインを通過する。アノード流れラインの出力に接続されている燃料電池は、燃料電池システムのための熱を提供するため、燃料電池スタックにより通過された余剰の水素を燃焼させる。燃焼器の温度を制御するため、燃焼器を冷却し又は加熱するため酸素の流れを提供することが必要となる。燃焼器は、リッチ状態又はリーン状態のいずれでも動作することができる。リッチ状態で動作している場合、より多くの酸素が、燃焼器の温度を上昇させる。リーン状態で動作している場合、より多くの酸素は、燃焼器を冷却する。酸素が希釈剤として作用するからである。酸素の流れは、典型的には、燃料電池スタックのカソード流れラインの出口により提供される。
【特許文献１】
米国特許番号５，５７３，８６７号
【特許文献２】
米国特許番号６，１６２，２６７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池スタックを効率的に作動させるため、アノード及びカソード流れラインへのガス流れの化学量論的量を制御することが必要となる。燃料電池スタック及び燃焼器が直列に配置されているので、供給される酸素の流量は、要求されているカソードにおける化学量論的量又は要求されている燃焼器の空気の流量のいずれかのうち大きい方が採用される。従来では、カソードの化学量論的量と合致するのに要求される酸素の流れの流量は、燃焼器により要求されている酸素の流れよりもかなり少なかった。しばしば、燃料電池スタックを通過する酸素流れの量は、最適な化学量論的量よりも遙かに高く、効率に悪い作用を及ぼしていた。また、余剰酸素が燃料電池スタックを通過することに起因した圧力降下が存在している。圧力降下は、燃焼器に課される負荷を増加させ、システム全体の効率も低下させる。
【０００７】
加えて、燃料電池スタックのカソード流れラインは、適切な作動のため一定レベルの湿度を必要としている。他方では、燃焼器の性能は、高い水含有量を有する酸素の流れにより悪い影響を及ぼされる。燃焼器が燃料電池スタックより多くの酸素を要求しているとき、燃料電池スタックは、そこを通って流れる空気の全てが同じ相対湿度レベルにまで加湿されることを要求する。追加の水及びカソードにより必要とされない酸素を加湿するための熱は、そうでなければ要求されなかったであろう、より大きな加湿器の使用を要求する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
燃料電池のためのガス流れ制御システムは、ガス供給手段と加湿器とを備える。加湿器の入口はガス供給手段の出口に接続される。燃料電池はカソード流れラインを備える。カソード流れラインの入口は、加湿器の出口に接続されている。燃焼器は、カソード流れラインの出口からガスを受け取る入口を備える。バルブ及びバイパスラインは、加湿器及び燃料電池スタックの回りのガスをバイパスして燃焼器の入口へと至らしめる。
【０００９】
本発明の他の特徴では、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、方向制御バルブのいずれかである。該バルブは、ガス供給手段と加湿器との間、又は、燃料電池スタックと燃焼器との間に、バイパスライン内に配置されるのが好ましい。
【００１０】
本発明の更に他の特徴では、ガス流れセンサーは、加湿器、燃料電池スタックのカソード流れライン及びバイパスラインのうち少なくとも１つを通って流れるガスに基づいてガス流れ信号を発生する。ガス流れセンサー及びバルブに接続された流れコントローラは、ガス流れ信号に基づいてバルブを制御する。
【００１１】
本発明の様々な特徴、利点及び他の使用法は、次の説明及び添付図面を参照して明らかとなろう。
【実施例】
【００１２】
次の詳細な説明は、好ましい例示的な実施例のみを提供しており、本発明の範囲、用途、又は、構成を限定するものではない。好ましい例示的な実施例の次の詳細な説明は、当業者に、本発明の好ましい例示的な実施例を実施するための可能な説明を提供する。添付された請求の範囲に記載された本発明の精神及び範囲から逸脱すること無く、構成要件の機能及び構成に様々な変更をなすことができることが理解されるべきである。
【００１３】
本発明のガス流れ制御システムは、加湿器及び燃料電池の回りにガスをバイパスするためバイパスライン及びバルブを用いる。バイパスライン及びバルブは、燃焼器にバイパスされたガスを差し向ける。加湿器及び燃料電池の回りにガスをバイパスすることは、燃焼器に入るガスの湿度を減少させ、燃料電池システムの構成部品の要求を減少させる。ガス流れ制御システムは、個々の燃料電池又は燃料電池スタック上で作動することができる。バイパスされたガスは、燃料電池のカソード流れラインへと流れる空気又は酸素であるのが好ましい。ガス流れ制御システムは、燃焼器の温度を制御するために使用されてもよい。
【００１４】
ここで、図１を参照すると、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）１２を備える燃料電池アッセンブリ１０の断面が示されている。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と、カソード１６と、アノード１８と、を備える。膜１４は、カソード１６の内側表面と、アノード１８の内側表面との間に挟まれている。
【００１５】
カソード拡散媒体２０が、カソード１６に隣接して配置されている。アノード拡散媒体２４がアノード１８の内側表面に隣接して配置されている。燃料電池アッセンブリ１０は、カソード流れライン２６と、アノード流れライン２８とを更に備えている。カソード流れライン２６は、酸素（Ｏ2）を受け取り、源からカソード拡散媒体２０へと酸素を差し向ける。アノード流れライン２８は、水素（Ｈ2）を受け取り、源からカソード拡散媒体２０へと水素を差し向ける。簡潔に説明するため、この説明では、水素（Ｈ2）及び酸素（Ｏ2）と言及している。当業者は、空気及び改質物を用いるシステム内で本発明を適用することができると認めることができる。
【００１６】
燃料電池アッセンブリ１０では、膜１４は、陽イオン浸透性の、Ｈ+イオンを移動性イオンとして有する陽子伝達膜である。燃料ガスは、水素（Ｈ2）であり、酸化剤は酸素（Ｏ2）である。全体的な電池反応は、水素の水への酸化であり、アノード１８及びカソード１６における夫々の反応は、次の通りとなる。
【００１７】
Ｈ2＝２Ｈ+  ＋  ２ｅ-
０．５Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-＝Ｈ2Ｏ
水素が燃料ガスとして使用されるので、全体的な電池反応の生産物は水となる。典型的には、生成された水は、カソード１６で排出される。該カソードは酸素極側の電極触媒層を備えた多孔性電極である。水は、それが形成されると、集められて、燃料電池アッセンブリ１０のＭＥＡ１２から任意の従来態様で排出される。電池反応は、アノード拡散媒体２４からカソード拡散媒体２０への方向で陽子交換を生成する。この態様で、燃料電池アッセンブリ１０は電気を生成する。負荷３０がＭＥＡ１２に亘って電気的に接続されている（換言すれば、負荷は、プレート３２及び３４に接続される。燃料電池が隣接する燃料電池を持つ場合、プレート３２及び／又は３４は両極式である。燃料電池が隣接する燃料電池を持たない場合、プレート３２及び／又は３４は端部プレートである。）
効率的に作動し、最大量の電気を生成するため、燃料電池アッセンブリ１０は、適切に加湿されなければならない。典型的には、カソード流れライン２６に供給された酸素流れ、及び／又は、アノード流れライン２９に供給された水素流れは、当該技術分野で知られた幾つかの方法のうち一つにより加湿される。共通のアプローチでは、アノードガス及び／又はカソードガスは、それらが燃料電池に差し向けられる前に膜状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、或いは、燃料電池スタック内部の一区分として構成されてもよい。別のアプローチでは、燃料電池は、リザーバーからＭＥＡ１２に水を差し向ける、米国特許番号５，９３５，７２５号及び５，９５２，１１９号に開示されるように、水を保持する材料の使用を介して加湿されてもよい。その開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。代替例として、水（Ｈ2Ｏ）の蒸気又は霧を、カソード流れ及びアノード流れの両方に噴出し、燃料電池スタックの上流又はその内部でそれらを加湿するようにしてもよい。更に別のアプローチでは、酸素の流れは、水素の流れを加湿する水を生成するため少量の水素と反応するためアノード流れライン２８の上流で水素の流れ内に注入されてもよい。水素の流れは、酸素の流れを加湿する水を生成するため少量の酸素と反応するためカソードの上流で酸素の流れ内に注入されてもよい。
【００１８】
ここで、図２を参照すると、従来技術に係る、ガス流れ制御システム５０が示され、加湿器５４と、燃料電池スタック５６と、燃焼器５８と、を備える。加湿器５４は、ガス供給部６０により供給されたガスの湿度を増大させる。例えば、空気又は酸素等のガスは、典型的には、コンプレッサ（図示せず）によりガス供給部６０に供給される。加湿器５４は、燃料電池スタック５６のカソード流れライン２６の入口に提供されたガスを加湿する。
【００１９】
燃料電池は、燃料電池の作動用の酸素を提供するため酸素の流れが燃料電池スタック５６のカソード流れライン２６を通過することを要求する。水素の豊富な燃料流れは、燃料電池の作動用の水素を提供するため、アノード流れライン２８を通過する。燃焼器５８の入口は、アノード流れライン２８の出口に接続されている。燃焼器５８は、燃料電池スタック５６を通過した、余剰の水素及び酸素を水に転化させる。これは、発熱反応であり、発生された熱の一部分は燃料電池システムへと戻る。燃焼器５８の温度を制御するため、適切な量の酸素を燃焼器５８に提供することが必要となる。酸素の流れは、典型的には、燃料電池スタック５６のカソード流れライン２６から出る酸素の流れにより提供される。
【００２０】
燃料電池スタック５６を最適なポイントで作動させるためには、アノード流れライン２８及びカソード流れライン２６へのガス流れの化学量論的量を制御することが必要となる。燃料電池スタック５６及び燃焼器５８が直列に配置されているので、供給された流量は、要求されたカソードの化学量論的量又は要求された燃焼器酸素の流れのいずれかのうち最大の量である。カソードの化学量論的量に合致するため要求される酸素流れの流量は、燃焼器５８により要求される酸素の流れよりもかなり小さくなり得る。このため、図２の設計は、最大可能なほどには効率的ではない。燃料電池スタック５６を通過する余剰空気に起因して追加の圧力降下も存在する。この圧力降下は、コンプレッサ（図示せず）上に課される負荷を増大させ、システム全体の効率を減少させる。
【００２１】
加えて、燃料電池スタック５６のカソード流れライン２６は、適切な作動のための一定レベルの加湿を要求する。他方、燃焼器５８は、加湿された空気を必ずしも必要とはしない。燃焼器５８の性能は、燃焼器５８に入る酸素の流れの高い水含有量によって悪影響を及ぼされ得る。追加の水、及び、カソード１６により要求されない酸素を加湿するため使用される熱は、より大きな加湿器の使用へと導く。
【００２２】
ここで、図３Ａを参照すると、図２からの参照番号は、類似の要素を同定するため適切なところで使用された。本発明に係る燃料電池のためのガス流れ制御システム７５は、加湿器５４に入っていくガス流れ（例えば空気又は酸素）の流量を測定する、ガス流量センサー７８を備える。ガス流量センサーは、ソフトウェアでモデル化された仮想センサー又は他の適切な任意の流量センサーのいずれであってもよい。ガスバイパス構成は、ガス供給部と、加湿器５４の入口との間に配置されたバルブ８４を備える。バイパスライン８０は、ガス供給部とバルブ８４との間に接続された一端部を有する。バイパスライン８０の反対側端部は、燃料電池５６の出口と燃焼器５８の入口との間に接続されている。流れコントローラ９０は、ガス流量センサー７８と、バルブ８４とに接続されている。流れコントローラ９０は、電子回路、用途に特化した積分回路（ＡＳＩＣ）、マイクロプロセッサ及びメモリ、又は、他の適切な任意の制御回路で構成することができる。
【００２３】
バルブ８４は、好ましくは、ガス制限バルブ又はスロットルバルブである。当業者は、ガス流量センサー７８を、例えばバイパスライン８０内の他の位置に配置することができることを認めることができる。典型的には、コンプレッサ（例えば、ガス供給部６０）の出力部のガス流量センサーが知られている。例えば、ワイヤ式マノメータが、コンプレッサからのガス流量を測定するため、使用され、及び／又は、該コンプレッサの回転速度と圧力との比率がガス流量を導出するため使用される。ガス流量センサー７８を、加湿器５４又は燃料電池スタック５６の後段に配置することができるが、この位置は、あまり望ましくない。水はワイヤ式マノメータ上に集まる傾向があり、これは精度を低下させるからである。好ましい実施例では、バルブ８４は、内燃エンジンで用いられる従来のスロットルバルブに類似している。
【００２４】
ガス流れ制御システム７５は、使用中、加湿器５４及び燃料電池スタック５６のカソード流れライン２６を備えた第１の経路、並びに、バイパスライン８０を備えた第２の経路を通って流れるガスを制御する。ガス流れ制御システム７５は、燃焼器ガスの一部分を、加湿器５４及び燃料電池スタック５６の回りの第２の経路を通して逸らすことにより、システムの圧力降下を減少させる。流れコントローラ９０が、カソード流れライン２６により要求されている酸素がより少なくなっていると判定したとき、流れコントローラ９０は、第２の経路への空気を、より多くし、第１の経路への空気をより少なくするように空気を逸らす。流れコントローラ９０が、カソード流れライン２６により要求されている酸素がより多くなっていると判定したとき、流れコントローラ９０は、第２の経路を通過する空気をより少なくし、第１の経路へと振り向ける。
【００２５】
燃料電池スタック５６が作動していないときの幾つかのシステム作動モードの間、バルブ８４が閉じられる。ガスの全ては、第２の経路を通って流れる。燃料電池スタック５６が作動しているとき、バルブ８４及びコントローラ９０は、適切な化学量論的量でカソード１６を作動させるため要求される、第１の経路を通したガスの必要な流れのみを可能にする。ガスの流れの残りの部分は、第２の経路を通して逸らされる。第２の経路を通って流れる余剰のガスは、加湿器５４を通過しないので、加湿器のサイズを減少させることができる。熱的な負荷及び水の使用要求が、燃料電池スタック５６のカソード１６の化学量論的要求にのみ依存するからである。
【００２６】
燃料電池スタック５６のカソード流れライン２６の出口では、２つのガス流れが、燃焼器５８のためのガスを提供するため再結合される。バルブ８４は、閉位置で作用しなくなるように設計されるのが好ましく、ガスの全てを第２の経路を通して流れさせ、ガスが第１の経路に入ることを防止する。これは、燃料電池システムのための所望のフェールセーフ作動モードである。
【００２７】
ここで、図３Ｂを参照すると、図２及び図３Ａからの参照番号が、類似の要素を同定するのに適切なところで使用された。燃料電池のためのガス流れ制御システム１００は、加湿器５４に入るガスの流量を測定するガス流量センサー７８を備えている。ガスバイパス構成は、バルブ８４の出口に接続されている一方の端部を有するバイパスライン１０２を備える。当業者は、ガス流量センサー７８を上述されたように他の位置に配置することができることを認めることができる。バルブ８４は、燃料電池スタック５６の出口と、燃焼器５８の入口との間に接続されている。バイパスライン１０２の一方の端部は、ガス供給部６０と、加湿器５４の入口との間に接続されている。バイパスライン１０２の反対側端部は、バルブ８４と、燃焼器５８の入口との間に接続されている。流れコントローラ９０は、ガス流量センサー７８に、及び、バルブ８４に接続されている。非常に好ましい実施例では、バルブ８４は、内燃エンジンに用いられる従来のスロットルバルブに類似している。ガス流れ制御システム１００の作動は、図３Ａに関して上述されたものに類似している。
【００２８】
ここで、図４Ａを参照すると、図２及び図３からの参照番号が、類似の構成要素を同定するため適切なところで使用された。ガス流れ制御システム１００は、加湿器５４に入るガスの流量を測定するガス流量センサー７８を備えている。ガスバイパス構成は、バルブ１１４に接続されている一方の端部を有するバイパスライン１１２を備える。当業者は、ガス流量センサー７８を上述されたように他の位置に配置することができることを認めることができる。バルブ１１４は、ガス供給部６０と、加湿器５４の入口との間に接続されている。バイパスライン１１２の一方の端部は、バルブ１１４に接続されている。バイパスライン１１２の反対側端部は、燃料電池スタック５６の出口と、燃焼器５８の入口との間に接続されている。流れコントローラ９０は、ガス流量センサー７８に、及び、バルブ１１４に接続されている。ガス流れ制御システム１１０の作動は、図３Ａ及び図３Ｂに関して上述されたものに類似している。
【００２９】
ここで、図４Ｂを参照すると、図２及び図４Ａからの参照番号が、類似の構成要素を同定するため適切なところで使用された。燃料電池のためのガス流れ制御システム１２０は、加湿器５４に入るガスの流量を測定するガス流量センサー７８を備えている。ガスバイパス構成は、バルブ１１４に接続されている一方の端部を有するバイパスライン１２２を備える。当業者は、ガス流量センサー７８を上述されたように他の位置に配置することができることを認めることができる。バルブ１１４は、ガス供給部６０と、加湿器５４の入口との間に接続されている。バイパスライン１２２の一方の端部は、ガス供給部６０と、加湿器５４の入口との間に接続されている。バイパスライン１２２の反対側端部は、バルブ１１４に接続されている。流れコントローラ９０は、ガス流量センサー７８に、及び、バルブ１１４に接続されている。ガス流れ制御システム１１０の作動は、図３Ａ、図３Ｂ及び図４Ａに関して上述されたものに類似している。
【００３０】
当業者は、バイパスライン８０、１０２、１１２及び１２２の直径が、空気の全てが燃料電池スタックの回りを流れる短絡回路状態を回避するため適切にサイズが定められるべきである。バイパスライン８０、１０２、１１２及び１２２は、流れが各経路へと分割されるように、十分に小さいか又は制限部を持たなければならない。バイパスラインの直径及び／又は制限部は、バルブの運動に基づいて良好な流れの分岐を提供するようにサイズが定められるべきである。
【００３１】
ここで、図５を参照すると、図２及び図３Ａからの参照番号が、類似の構成要素を同定するため適切なところで使用された。本発明に係るガス流れ制御システム１３０は、加湿器５４に入るガスの流量を測定するガス流量センサー７８を備えている。ガスバイパス構成は、ガス供給部６０と加湿器５４の入口との間に接続されている一方の端部を有するバイパスライン１３２を備える。当業者は、ガス流量センサー７８を上述されたように他の位置に配置することができることを認めることができる。バイパスライン１３２の反対側端部は、ガス供給部６０と、加湿器５４の入口との間に接続されている。バイパスライン１２２の反対側端部は、燃料電池スタック５６の出口と、燃焼器５８の入口との間で接続されている。流れコントローラ９０は、ガス流量センサー７８に、及び、バルブ８４に接続されている。
【００３２】
本発明に係る燃料電池のためのガス流れ制御システムは、燃料電池へのガスの流れ及び燃焼器へのガスの流れに関する制御を提供する。カソード流れラインの化学量論的量の可変制御は、燃料電池の効率を最大にする。ガス流れ制御システムは、より小型の加湿器を使用することを可能にし、燃料電池システムの熱的負荷及び水使用要求を減少させる。ガス流れ制御システムは、燃料電池の回りのガスの一部分を逸らすことに起因して、システム圧力降下をより低くする。ガス流れ制御システムは、緊急停止の際に全ての利用可能な冷却空気を燃焼器に差し向けることを可能にすることにより、燃焼器のフェールセーフ作動を提供する。燃料が無ければ、燃焼器は冷却する。本発明に係る燃料電池システムは、本明細書で記載されたガス流れ制御システムに起因して、より安価、より小型及びより軽量である。
【００３３】
当業者は、前述した説明から、本発明の幅広い教えが、様々な形態で実施することができることを認めることができる。このため、本発明は、その特定の例に関連して説明されたが、本発明の真の範囲は、図面、明細書及び請求の範囲を研究するとき、他の変形が当業者には明らかとなるため、上記例に制限されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、一例としての燃料電池アッセンブリの膜電極アッセンブリの断面を示している。
【図２】図２は、従来技術に係る燃料電池のためのガス流れ制御システムを示す概略的なブロック図である。
【図３】図３Ａは、ガス供給部及び加湿器の間に配置されたバルブを備えた燃料電池のための第１のガス流れ制御システムを示す概略的なブロック図である。  図３Ｂは、燃料電池スタック及び燃焼器の間に配置されたバルブを備えた燃料電池のための第２のガス流れ制御システムを示す概略的なブロック図である。
【図４】図４Ａは、ガス供給部及び加湿器の間に配置されたバルブを備えた燃料電池のための第３のガス流れ制御システムを示す概略的なブロック図である。  図４Ｂは、燃料電池スタック及び燃焼器の間に配置されたバルブを備えた燃料電池のための第４のガス流れ制御システムを示す概略的なブロック図である。
【図５】図５は、バイパスラインにバルブを備えた燃料電池のための第５のガス流れ制御システムを示す概略的なブロック図である。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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