(57)【要約】燃料電池パワーシステムのための空気流動を管理する方法であって、圧縮機から排出された空気を提供すること、および加湿デバイスから排出された空気を提供することを含む、上記方法。本方法は、圧縮機から排出された空気を、燃料電池上流の加湿デバイスから排出された空気と混合すること、および該混合物を燃料電池のカソードに供給することをさらに包含する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池パワーシステムのための空気流動を管理する方法であって、
圧縮機から排出された空気を提供すること；
加湿デバイスから排出された空気を提供すること；
圧縮機から排出された空気を、燃料電池上流の加湿デバイスから排出された空気と混合すること；および
該空気の混合物を燃料電池のカソードに供給すること
を含む、上記方法。
【請求項２】
前記加湿デバイスに向かわるための、前記圧縮機から排出された空気の第一のパーセンテージを決定することをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記決定が、前記燃料電池上流の空気の相対湿度、前記燃料電池上流の空気の露点温度、前記燃料電池の入口の冷却剤温度、または前記燃料電池の出口の冷却剤温度から選択される性能要因に基づく、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記加湿デバイスをバイパスするように方向付けるための、前記圧縮機から排出された空気の第二のパーセンテージを決定することをさらに包含する、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記第一のパーセンテージが、前記圧縮機から排出された全空気の約５０％であり、前記第二のパーセンテージが、前記圧縮機から排出された全空気の約５０％である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記圧縮機から排出された空気が、乾燥空気であり、前記加湿デバイスから排出された空気が、湿潤空気である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記圧縮機から排出された空気が、前記加湿デバイスから排出された空気より高い流速を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
空気の第三のパーセンテージを前記燃料電池から前記加湿デバイスに向かわせ、空気の第四のパーセンテージを前記燃料電池から大気に向かわせることをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記燃料電池から前記加湿デバイスまたは大気に向かわせる空気の量の決定が、前記燃料電池上流の空気の相対湿度、前記燃料電池１１０上流の空気の露点温度、前記燃料電池の入口の冷却剤温度、または前記燃料電池の出口の冷却剤温度から選択される性能要因に基づく、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第三のパーセンテージが、前記燃料電池からの全空気の約５０％であり、前記第四のパーセンテージが、前記燃料電池からの全空気の約５０％である、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
燃料電池の空気流動の管理システムであって、
燃料電池に空気を供給するように設計された圧縮機；
燃料電池に空気を供給するように設計された加湿デバイス；および
圧縮機から加湿デバイスに向かう空気の量と加湿デバイスをバイパスする空気の量とを決定するように設計された制御器
を含む、上記管理システム。
【請求項１２】
前記決定が、前記燃料電池上流の空気の相対湿度、前記燃料電池上流の空気の露点温度、前記燃料電池の入口の冷却剤温度、または前記燃料電池の出口の冷却剤温度から選択される性能要因に基づく、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記圧縮機から供給された空気が、乾燥空気であり、前記加湿デバイスから供給された空気が、湿潤空気である、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記圧縮機から供給された空気が、前記加湿デバイスから供給された空気より高い流速を有する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記加湿デバイスが、前記燃料電池から空気を再循環させるように設計されている、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記圧縮機から前記加湿デバイスに向かう空気の量が、前記加湿デバイスをバイパスする空気の量の３倍である、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記制御器が、前記燃料電池から前記加湿デバイスに向かう空気の量と、前記燃料電池から大気に向かう空気の量とを決定するように設計されている、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記燃料電池からの空気の前記決定が、前記燃料電池上流の空気の相対湿度、前記燃料電池上流の空気の露点温度、前記燃料電池の入口の冷却剤温度、または前記燃料電池の出口の冷却剤温度から選択される性能要因に基づく、請求項１７に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記燃料電池から前記加湿デバイスに向かう空気の量が、前記燃料電池から大気に向かう空気の量の３倍である、請求項１７に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
空気流動の管理システムを有する燃料電池であって、
圧縮機；
加湿デバイス；
圧縮機と加湿デバイスとに流体連結された燃料電池；および
圧縮機から燃料電池に流動する空気と圧縮機から加湿デバイスに流動する空気とを調節するように設計された制御器
を含み、
ここで空気の第一のパーセンテージは、圧縮機から燃料電池に流動し、空気の第二のパーセンテージは、圧縮機から加湿デバイスに流動し、第一のパーセンテージは第二のパーセンテージと等しくない、上記燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[001]本発明の開示は、燃料電池のための空気流動の管理、より具体的には、パワーシステムで使用される燃料電池の空気流動の管理を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
[002]燃料電池は、化学反応により電流を発生させるために使用されるデバイスである。燃料電池技術は、例えば運搬用車両や携帯用の電力供給用途などの様々な技術にとって、従来の動力源の有望な代替物を提供する。燃料電池は、燃料の化学エネルギー（例えば、水素、天然ガス、メタノール、ガソリンなど）を、酸素または他の酸化剤との化学反応を介して電気に変換する。この化学反応は、典型的には電気、熱、および水を生じる。基礎的な燃料電池は、負電荷を有するアノード（anode）、正電荷を有するカソード（cathode）、および電解質と呼ばれるイオン伝導材料を含む。
【０００３】
[003]様々な燃料電池技術において様々な電解質材料が利用されている。プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、例えば、電解質として高分子のイオン伝導膜を利用している。水素ＰＥＭ燃料電池において、水素原子は、アノードで電気化学的に電子とプロトン（水素イオン）とに分離する。アノードにおける電気化学反応は、２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−である。
【０００４】
[004]反応によって生産された電子は、電気負荷回路を介してカソードに流動し、直流電流が生産される。反応によって生産されたプロトンは電解質膜を介してカソードに拡散する。電解質は、負電荷を有する電子を通過させずに正電荷を有するイオンを通過させるように設計されていてもよい。
【０００５】
[005]プロトンが電解質を通過した後、プロトンは、カソードで電気負荷回路を通過した電子と反応することができる。カソードでの電気化学反応により、発熱反応：Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏで表されるように、水および熱が生産される。
【０００６】
[006]作動中、単一の燃料電池は、一般的に、約１ボルトを発生させられる。特定の用途にとって望ましい量の電力を得るには、個々の燃料電池を組み合わせて燃料電池スタックを形成する。燃料電池は連続して一緒にスタックされ、それぞれのセルはカソード、電解質膜、およびアノードを包含する。各カソード／膜／アノード接合体は、「膜電極接合体」（ＭＥＡ）を構成し、これは、典型的にはバイポーラプレートによって両方の側で支持される。ガス（水素および空気）は、流れ場として知られているプレート中に形成されたチャネルまたは溝を介してＭＥＡの電極に供給される。機械的な支持体を提供することに加えて、バイポーラプレート（これは、流れ場プレートまたはセパレータープレートとしても知られている）は、スタック中の個々のセルを電気的に連結しつつ物理的に分離する。またバイポーラプレートは、集電装置としても作用し、それぞれの電極表面に燃料および酸化剤のためのアクセスチャネルを提供し、さらに燃料電池の作動中に形成された水を除去するためのチャネルを提供する。カソード反応により形成された水は、追加の反応を促進するためにカソードから連続的に除去しなければならない。水は、排気ガスの水分の形態でカソードから除去することができる。
【０００７】
[007]プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池において、電解質として作用する高分子イオン伝導膜は、膜の伝導性を促進するためにある程度の湿度を必要とする。最適な燃料電池性能に関する主な課題は、ＰＥＭ燃料電池の適度な膜湿度を維持することである。水分添加が不十分なＰＥＭ膜は、プロトン伝導性低下の原因となる可能性があり、さらに抵抗性の損失、出力低下、および膜の寿命の減少を引き起こす可能性がある。一方で、膜中の水分の存在が多すぎると、膜を水浸しにして、膜を通る流路を塞ぎ燃料電池の性能と稼働寿命に負の影響を及ぼす可能性がある。反応物、例えば水素と酸素とを含有する空気が燃料電池に入ると、温度と湿度が変化する可能性があるため、ＰＥＭ燃料電池の膜と性能が影響を受ける可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
[008]ＰＥＭ燃料電池が効率的に作動して最大の出力電力を生産するためには、ＰＥＭ燃料電池は適切に加湿されるべきである。カソードへの流入空気の湿度を制御することにより、電解質膜を介した水の輸送に影響を与えることが可能になる。具体的に言えば、電気浸透抗力（例えば、水素のプロトンにより電解質膜を通ってアノードからカソードに引き込まれた水分子）と逆拡散（例えば、電解質膜を介した水の勾配によりカソードからアノードに移動する水分子）とのバランスを保つことが可能である。カソードの吸気を加湿することにより、より高温でＰＥＭ燃料電池を作動させてより大きい出力を生産することが可能になる。ＰＥＭ燃料電池が適切に加湿されない場合、ＰＥＭ燃料電池が乾燥しきって電気化学反応が妨げられる可能性がある。例えば、膜が脱水状態になると、電解質膜の孔が収縮する可能性があり、それによりカソードからアノードへの水の逆拡散が制限される可能性がある。しかしながら、ＰＥＭ燃料電池に水が多すぎても、さらなる問題を引き起こす可能性がある。カソードで過剰な水が形成される場合、カソードでの還元反応速度が妨げられる可能性がある。それゆえに、燃料電池を適切に加湿するための空気流動の効率的な方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
[009]上述の状況を考慮して、本発明の開示は、燃料電池パワーシステムの空気流動を管理するための方法およびシステムを提供する。
【００１０】
[010]本発明の開示の一形態は、燃料電池パワーシステムのための空気流動を管理する方法であって、加湿デバイスから排出された空気を提供すること；加湿デバイスから排出された空気を提供すること；圧縮機から排出された空気を、燃料電池上流の加湿デバイスから排出された空気と混合すること；および該空気の混合物を燃料電池のカソードに供給することを含む、上記方法を対象とする。
【００１１】
[011]本発明の開示の他の形態は、燃料電池の空気流動の管理システムであって、燃料電池に空気を供給するように設計された圧縮機；燃料電池に空気を供給するように設計された加湿デバイス；および圧縮機から加湿デバイスに向かう空気の量と加湿デバイスをバイパスする空気の量とを決定するように設計された制御器を含む、上記管理システムを対象とする。
【００１２】
[012]本発明の開示の他の形態は、燃料電池の空気流動の管理システムであって、圧縮機；加湿デバイス；圧縮機と加湿デバイスとに流体連結された燃料電池；および圧縮機から燃料電池に流動する空気と圧縮機から加湿デバイスに流動する空気とを調節するように設計された制御器を含み、ここで空気の第一のパーセンテージが圧縮機から燃料電池に流動し、空気の第二のパーセンテージが圧縮機から加湿デバイスに流動し、第一のパーセンテージは第二のパーセンテージと等しくない、上記管理システムを対象とする。
【００１３】
[013]前述の一般的な説明と以下の詳細な説明はいずれも単に典型的で説明的なものにすぎず、特許請求された開示を限定しないと理解されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】[014]図１は、例示的な実施態様に係る燃料電池パワーシステムの一部の概略図である。
【図２】[015]図２は、例示的な実施態様に係る燃料電池パワーシステムの流路を例示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
[016]本発明の開示を、本明細書において、例えば自動車用ＰＥＭ燃料電池のための空気流動システムなどの特定の用途に関する例示的な実施態様を参照しながら説明する。本明細書で説明される実施態様は、それらに限定されないことが理解される。当技術分野における通常の技術を有し本明細書で示された教示を利用できるものは、全て本発明の開示の範囲内に包含される追加改変、適用、実施態様、および等価体での置き換えを認識しているものと予想される。例えば、本明細書で説明される原理は、あらゆる好適な適用（例えば、自動車用、携帯用、工業用、固定式、バックアップ電源用または可動式デバイス用の燃料電池用途）のためのあらゆる好適なＰＥＭ燃料電池と共に使用することができる。したがって、本発明の開示は、前述または以下の説明によって限定されない。
【００１６】
[017]図１は、例示的な実施態様に係るパワーシステム１００の概略図である。パワーシステム１００は、燃料電池１１０、圧縮機１２０、加湿デバイス１３０、電気回路１４０、および制御器２００を包含していてもよい。燃料電池１１０は、アノード１１１、カソード１１２、およびプロトン交換膜（ＰＥＭ）１１３をさらに包含していてもよい。燃料電池１１０は、様々な燃料、例えば水素、一酸化炭素、メタノールを受け入れたり、またはメタンなどの軽質炭化水素を希釈したりすることができる。アノード１１１は、燃料を電気化学的に電子とプロトンとに分けることができる。電子は、プロセス中に、電気回路１５０を通ってカソード１１２に流動し、電気を発生させることができ、一方でプロトンは、ＰＥＭ１１３を通ってカソード１１２に移動することができる。カソード１１２において、プロトンは電子と結合して、空気供給源１２０により提供された酸素と反応して、水および熱を生産することができる。カソード１１２で生産された過量の水は、カソードの出口ストリーム１６０により燃料電池１１０から除去されてもよい。アノードの出口ストリーム１７０は、アノード１１１中の未使用燃料を燃料電池１１０から出すことができる。全体的なパワーシステム効率を高めるために、未使用燃料を再利用することができる。
【００１７】
[018]燃料電池１１０は、オープンな流れ場の設計を有するＰＥＭ燃料電池を含んでいてもよい。オープンな流れ場の燃料電池は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる、同一出願人による米国特許公報第２０１１／０２２３５１４号で説明されている。オープンな流れ場の設計は、カソード１１２で生産された水を逆流させて、ＰＥＭ１１３を加湿することを可能にする。
【００１８】
[019]いくつかの実施態様において、燃料電池１１０を複数の燃料電池とスタックして（示されていない）、燃料電池スタックを形成することができる。例えば、燃料電池１０が、そのままでは所与の用途に耐えるのに十分な電力を発生させられない場合、それをスタックすることにより十分な量の電力を提供することができる。
【００１９】
[020]入口ストリーム１５０は、燃料電池１１０のカソード１１２に空気を供給することができる。図１で示されるように、入口ストリーム１５０は、カソード１１２に向かう途中で、圧縮機１２０および加湿デバイス１３０を通過することができる。入口ストリーム１５０から提供される空気は、１つまたはそれより多くの要因、例えば利用可能性、温度、圧力、または湿度に従って様々であり得る。例えば、空気は、燃料電池１１０周辺の環境からの周囲空気を包含していてもよい。周囲空気は、周囲空気の温度で測定した場合、０〜１００パーセントの相対湿度を有していてもよい。
【００２０】
[021]圧縮機１２０は、入口ストリーム１５０内の空気を、空気が燃料電池１００に入る前に圧縮するように設計されていてもよい。空気は、吸込口（示されていない）を介して圧縮機１２０に引き入れられて、出口（示されていない）を介して圧縮機から排出されてもよい。一実施態様において、圧縮機１２０は、内部チャンバー（示されていない）内の空気を圧縮して、乾燥空気を生産することもできる。以下で図２に関してより詳細に説明されるように、乾燥空気は、加湿デバイス１３０または燃料スタック１１０に流動させることができる。圧縮機１２０としては、当技術分野で知られているようにピストン、スクリュー、スクロール、またはパンケーキタイプなどのあらゆるタイプの圧縮機を挙げることができる。
【００２１】
[022]圧縮機１２０からの乾燥空気は、入口ストリーム１５０を介して加湿デバイス１３０に流動させることができる。それゆえに、加湿デバイス１３０は、圧縮機１２０と燃料電池１１０との間のカソード１１２に流体連結されていてもよい。加湿デバイス１３０は、入口ストリーム１５０内の空気を加熱すること、冷却すること、または水を添加することによって入口ストリーム１５０の湿度を変更するように設計されていてもよい。例えば、加湿デバイス１３０は、湿度を、例えば約±１％、約±２％、約±５％、または約±１０％増加させるのに十分な水を添加することができる。加湿デバイス１３０は、電気回路１４０または別の代替動力源によって駆動するものでもよい。
【００２２】
[023]代替の実施態様において（示されていない）、加湿デバイス１３０を燃料電池１１０または燃料電池スタックに統合することにより、単一のデバイスを形成してもよい。このような統合された加湿デバイスは、燃料電池または燃料電池スタックに組み立てられる追加のプレートを含んでいてもよい。追加のプレートは、スタックを燃料電池ゾーンと加湿ゾーンとに分離することができる。加湿ゾーンは、膜を介して冷却水を透過させて隣接するゾーン中のガスを加湿することができる親水性膜を包含していてもよい。統合された加湿デバイスは、空間的な必要容量と相互連結するハードウェアの量を少なくすることができる。
【００２３】
[024]上述したように、燃料電池１１０内でいくつかの反応が起こる可能性がある。カソード１１２でプロトンと電子が結合する可能性があり、酸素と反応して水および熱を生産する可能性がある。生産された熱は、様々なメカニズムによって燃料電池１１０から除去することができる。例えば、燃料電池は、燃料電池からの熱を除去して熱を外部に排出するための冷却剤流体の流動を可能にする冷却剤チャネルを包含していてもよい。加えて熱交換器１８０は、発生した過量の熱を排出するのに使用することができる。熱交換器１８０は、例えば、シェルアンドチューブ熱交換器、プレート熱交換器、プレートアンドシェル熱交換器、またはプレートアンドフィン熱交換器を含んでいてもよい。熱交換器１８０は、発生した熱が伝導によって熱交換器に移動するように燃料電池１１０に隣接していてもよい。代替の配置としては、冷却剤流体を燃料電池１１０を介して流動させて過量の熱を熱交換器１８０に伝達し、そこで熱を排出することができる配置が挙げられる。
【００２４】
[025]制御器２００は、圧縮機１２０、加湿デバイス１３０、燃料電池、およびパワーシステム１００をモニタリングして調節するための様々なセンサー（示されていない）に連結されていてもよい。制御器２００は、パワーシステム１００の１つまたはそれより多くのパラメーターを検出して、これらのパラメーターに基づき空気流動を調節するように設計されていてもよい。例えば、制御器２００は、加湿デバイス１３０および燃料電池１１０に流動する空気の量をパラメーターに基づき決定するように設計されていてもよい。一実施態様において、制御器２００は、パワーシステム１００の統合された構成要素であってもよい。他の実施態様において、制御器２００は、パワーシステム１００の様々な構成要素と連通する別個の構成要素であってもよい。
【００２５】
[026]図２で示されるように、入口ストリーム１５０は、圧縮機１２０、加湿デバイス１３０および燃料電池１１０を流体連結する複数の通路を包含していてもよい。加えて、出口ストリーム１９０は、燃料電池１１０および加湿デバイス１３０を流体連結する複数の通路を包含していてもよい。例えば、圧縮機１２０からの空気の第一のパーセンテージが、入口ストリーム１５０を介して加湿デバイス１３０（ポイントＡ）に流動してもよい。圧縮機１２０からの空気の第二のパーセンテージが、加湿デバイス１３０をバイパスして、入口ストリーム１５０を介して燃料電池１１０（ポイントＢ）に直接流動してもよい。第一および第二のパーセンテージは同一または異なる量であってもよい。一実施態様において、空気の約１００パーセントが、加湿デバイス１３０に流動し、空気の約０パーセントが、加湿デバイス１３０をバイパスする。他の実施態様において、空気の約７５パーセントが、加湿デバイス１３０に流動してもよく、空気の約２５パーセントが、加湿デバイス１３０をバイパスしてもよい。さらに他の実施態様において、空気の約５０パーセントが、加湿デバイス１３０に流動してもよく、空気の約５０パーセントが、加湿デバイス１３０をバイパスしてもよい。さらに他の実施態様において、空気の約２５パーセントが、加湿デバイス１３０に流動してもよく、空気の約７５パーセントが、加湿デバイス１３０をバイパスしてもよい。他の実施態様において、空気の約０パーセントが、加湿デバイス１３０に流動してもよく、空気の約１００パーセントが、加湿デバイス１３０をバイパスしてもよい。
【００２６】
[027]例えば、空気の全量を、圧縮機１２０から加湿デバイス１３０に向かわせてもよい。別の例において、圧縮機１２０から加湿デバイス１３０に向かう空気の量は、圧縮機１２０から燃料電池１１０に向かう空気（すなわち加湿デバイス１３０をバイパスする空気）の量の３倍であってもよい。別の例において、圧縮機１２０から加湿デバイス１３０に向かう空気の量は、圧縮機１２０から燃料電池１１０に向かう空気の量と等しくてもよい。さらに別の例において、圧縮機１２０から加湿デバイス１３０に向かう空気の量は、圧縮機１２０から燃料電池１１０に向かう空気の量の３分の１であってもよい。加えて、圧縮機１２０からの空気の全量を、燃料電池１１０に向かわせてもよい。
【００２７】
[028]制御器２００は、例えば、燃料電池１１０の性能、作動条件、環境条件、燃料電池１１０上流の空気の相対湿度、燃料電池１１０上流の空気の露点温度、燃料電池１１０の入口または出口の冷却剤温度などの様々な要因に基づき、加湿デバイス１３０に流動する空気の量および加湿デバイス１３０をバイパスする量を決定することができる。
【００２８】
[029]上述したように、圧縮機１２０は、乾燥空気を排出することができ、および加湿デバイス１３０は、この空気の均一性（consistency）を変更して、湿度を増加させた空気（例えば湿潤空気）を排出することができる。加湿デバイス１３０からの湿潤空気は、加湿デバイス１３０をバイパスした圧縮機１２０からの乾燥空気と混合されてもよい（ポイントＣ）。図２で示されるように、混合は、燃料電池１１０の上流でなされてもよい。混合された乾燥空気および湿潤空気は、燃料電池１１０のカソード１１２に流動させることができる。
【００２９】
[030]出口ストリーム１９０は、燃料電池１１０を加湿デバイス１３０と流体連結させることもでき、燃料電池１１０を大気と流体連結させることもできる。いくつかの実施態様において、出口ストリーム１９０は、燃料電池１１０から排出された空気を加湿デバイス１３０に戻して再循環することができる。この再循環させた空気は、湿潤空気であってもよいし、加湿デバイス１３０内で圧縮機１２０からの乾燥空気と混合されてもよい。図２で示されるように、次いでこの混合された空気を、入口ストリーム１５０を介して燃料電池１１０に流動させて戻してもよい。
【００３０】
[031]他の実施態様において、燃料電池１１０からの空気、例えば湿潤空気の第一のパーセンテージが、出口ストリーム１９０を介して加湿デバイス１３０に流動してもよく（ポイントＤ）、パワーシステム１００内に再循環させてもよい。燃料電池１１０からの空気、例えば湿潤空気の第二のパーセンテージは、出口ストリーム１９０を介して大気に放出されてもよい（ポイントＥ）。空気の第二のパーセンテージは、大気に放出される前に加湿デバイス１３０から排出された湿潤空気と混合されてもよい（ポイントＦ）。第一および第二のパーセンテージは同一または異なる量であってもよい。一実施態様において、空気の約１００パーセントが、加湿デバイス１３０に流動し、空気の約０パーセントが、大気に流動する。他の実施態様において、空気の約７５パーセントが、加湿デバイス１３０に流動してもよく、空気の約２５パーセントが、大気に流動してもよい。さらに他の実施態様において、空気の約５０パーセントが、加湿デバイス１３０に流動してもよく、空気の約５０パーセンテージが、大気に流動してもよい。さらに他の実施態様において、空気の約２５パーセントが、加湿デバイス１３０に流動してもよく、空気の約７５パーセントが、大気に流動してもよい。他の実施態様において、空気の約０パーセントが、加湿デバイス１３０に流動してもよく、空気の約１００パーセントが、大気に流動してもよい。
【００３１】
[032]例えば、空気の全量を、燃料電池１１０から加湿デバイス１３０に向かわせてもよい。別の例において、燃料電池１１０から加湿デバイス１３０に向かう空気の量は、燃料電池１１０から大気に向かう空気の量の３倍であってもよい。さらに別の例において、燃料電池１１０から加湿デバイス１３０に向かう空気の量は、燃料電池１１０から大気に向かう空気の量と等しくてもよい。さらに別の例において、燃料電池１１０から加湿デバイス１３０に向かう空気の量は、燃料電池１１０から大気に向かう空気の量の３分の１であってもよい。加えて、燃料電池１１０からの空気の全量を、大気に向かわせてもよい。
【００３２】
[033]制御器２００は、例えば、燃料電池１１０の性能、作動条件、環境条件、燃料電池１１０上流の空気の相対湿度、燃料電池１１０上流の空気の露点温度、燃料電池１１０の入口または出口の冷却剤温度などの様々な要因に基づき、加湿デバイス１３０に流動する空気の量および大気に流動する量を決定することができる。
【００３３】
[034]いくつかの実施態様において、加湿デバイス１３０から排出された（ポイントＣに向かう）空気の流速は、圧縮機１２０から排出された（ポイントＣに直接向かい、ポイントＢで加湿デバイス１３０をバイパスする）空気の流速未満であってもよい。例えば、加湿デバイス１３０から排出された空気の流速は、加湿デバイス１３０をバイパスする空気と比較して約１００〜約０％低くてもよい。この流速の低減は、空気が燃料電池１１０に入るのに必要な最適な湿度に応じて変更することができる。加えて、加湿デバイス１３０から排出された（ポイントＣに向かう）空気は、圧縮機１２０から排出された（ポイントＣに直接向かい、ポイントＢで加湿デバイス１３０をバイパスする）空気と実質的に等しい圧力を有していてもよい。圧縮機１２０および加湿デバイス１３０から排出された空気の圧力を調節するために、１つまたはそれより多くの弁２００、または例えば他の液圧デバイスを使用してもよい。
【００３４】
[035]入口ストリーム１５０および出口ストリーム１９０の通路内における乾燥空気と湿潤空気との分離は、通路内で不均一な圧力を作り出す可能性がある。例えば、入口ストリーム１５０内の乾燥空気は、出口ストリーム１９０内の湿潤空気より高い圧力を有する可能性がある。それゆえに、ポイントＡ、Ｂ、およびＣはそれぞれ、ポイントＤ、Ｅ、またはＦより高い圧力を有する可能性がある。入口ストリーム１５０および出口ストリーム１９０の通路は、通路内の圧力を実質的に一様にするように、またはそうではなく通路内の圧力を変更するように、様々な内径を有していてもよい。例えば、乾燥空気を含む通路は、湿潤空気を含む通路より大きい直径を有していてもよい。
【００３５】
[036]加えて、弁２００は、入口ストリーム１５０および出口ストリーム１９０内の空気流動を変更することができる。例えば、弁２００は、圧縮機１２０から、加湿デバイス１３０または燃料電池１１０のいずれかに空気を向かわせることができる。それに加えて、またはその代わりに、弁２００は、例えば、燃料電池１１０から、加湿デバイス１３０または大気のいずれかに空気を向かわせることができる。弁２００は、空気を方向付けるために、パワーシステム２００内の様々な位置に配置されていてもよいことが予期される。具体的な用途に必要なレベル調整に応じて、弁２００のバランスを取ったり、または弁２００を開閉したりすることができる。
【００３６】
[037]パワーシステム１００の空気流動により、加湿デバイス１３０が、圧縮機１２０からの少ない量の空気の均一性（consistency）を変更する（例えばより湿潤させる）ことが可能になる。例えば、加湿デバイス１３０は、圧縮機１２０からの少ない量の空気を低い流速で循環させることができる。それゆえに、加湿デバイス１３０は、従来のデバイスより小さいサイズを有し得る。例えば、加湿デバイス１３０は、約５０％、約４０％、約３０％、約２０％、または約１０％低い体積、および約５０％、約４０％、約３０％、約２０％、または約１０％低い重量を有し得る。加えて、パワーシステム１００は、燃料電池に望ましい湿度の空気流動を提供し、燃料電池の寿命を長くすることができる。このようなパワーシステム１００による燃料電池の湿度の制御は、電圧および電流出力に関して燃料電池スタックを最適化することを可能にする。
【００３７】
[038]本発明の開示の他の実施態様は、本明細書の考察と本発明の開示の実施から当業者には明らかであると予想される。明細書および実施例は単なる例示とみなされ、本発明の開示の真の範囲および本質は以下の特許請求の範囲で示されるものとする。
【符号の説明】
【００３８】
１００  パワーシステム
１１０  燃料電池、燃料スタック
１１１  アノード
１１２  カソード
１１３  プロトン交換膜（ＰＥＭ）
１２０  圧縮機、空気供給源
１３０  加湿デバイス
１４０  電気回路
１５０  入口ストリーム
１６０  カソードの出口ストリーム
１７０  アノードの出口ストリーム
１８０  熱交換器
１９０  出口ストリーム
２００  制御器、弁
【図１】
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【図２】
2016523435.tif 000004
【国際調査報告】
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