(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス及び液体のセパレータであって、
入口、出口、並びに、該入口及び出口の間を延在する長さ方向の流れ通路を画成するハウジングと、
前記通路内に長さ方向に間隔を隔てて直列関係に該通路に沿って各々配置され、且つ、各々が該通路の断面の一部分を遮蔽する、複数のバッフルと、
前記バッフルにより画成された複合的な断面遮蔽を選択的に変動させるため該バッフルを相対的に移動させるように取り付ける手段と、
を含む、ガス及び液体のセパレータ。
【請求項２】
各々のバッフルは、前記通路を通って延在する中心軸の回りを回転するように取り付けられる、請求項１に記載のガス及び液体のセパレータ。
【請求項３】
各々のバッフルは、前記中心軸に配置された中央ハブと、該ハブから径方向外側に延在する周方向に間隔を隔てた複数のベーンと、を備える、請求項２に記載のガス及び液体のセパレータ。
【請求項４】
各々のバッフルの前記ベーンは、前記通路の断面積のうち与えられたパーセンテージを遮蔽し、該通路内の第１及び第２の連続するバッフルが、該通路の該与えられたパーセンテージの断面積から該通路の断面積のうちより大きなパーセンテージまで変動する複合的な断面遮蔽を画成するため相対回転される、請求項３に記載のガス及び液体のセパレータ。
【請求項５】
各々のバッフルの前記ベーンは、前記通路の断面積のうち約半分を遮蔽し、該通路内の第１及び第２の連続するバッフルが、該通路の約半分の断面積から該通路のうち事実上全ての断面積まで変動する複合的な断面遮蔽を画成するため相対回転される、請求項４に記載のガス及び液体のセパレータ。
【請求項６】
前記セパレータは、前記バッフルを相対回転するように作動可能な手段を更に備える、請求項１に記載のガス及び液体のセパレータ。
【請求項７】
前記可動手段は、前記バッフルと駆動可能に連係され、且つ、周囲温度変動に応答して前記バッフルを相対回転させるように作動可能なバイメタル手段である、請求項６に記載のガス及び液体のセパレータ。
【請求項８】
前記セパレータは、燃料電池と連係して使用されることを意図され、
前記可動手段は、前記バッフルと駆動可能に連係されたアクチュエータと、前記燃料電池の検出されたパラメータを反映して該アクチュエータに出力するための制御信号を生成するように作動可能な手段と、を含む、請求項６に記載のガス及び液体のセパレータ。
【請求項９】
前記燃料電池の検出パラメータは、該燃料電池に配給された圧縮ガスの流れの湿度、該ガス流れの流量率、該燃料電池内の温度及び圧力、並びに、該燃料電池により生成された電流のうち１つ又はそれ以上を含む、請求項８に記載のガス及び液体のセパレータ。
【請求項１０】
前記セパレータは、前記中心軸に配置された中央シャフトを備え、
前記中央ハブは、環状であり、直列に積み上げられた関係で前記シャフトに亘って適合される、請求項４に記載のガス及び液体のセパレータ。
【請求項１１】
前記セパレータは、前記シャフトを回転駆動するアクチュエータを更に備え、
選択されたバッフルの選択されたハブが、前記アクチュエータによる前記シャフトの回転が前記バッフルを相対回転させるように、前記シャフトに係止されている、請求項１０に記載のガス及び液体のセパレータ。
【請求項１２】
前記バッフルは、前記セパレータ内のバッフルの数を変化させ、これによって該セパレータの分離効率を変化させるため、前記シャフトに容易に摺動着脱可能なモジュール式ユニットである、請求項１０に記載のガス及び液体のセパレータ。
【請求項１３】
前記ハウジングは区分化されており、前記ハウジングのサイズを変えるため、用いられるモジュールの数に従って交換され得るモジュール式構成部品を備える、請求項１２に記載のガス及び液体のセパレータ。
【請求項１４】
前記ガス及び液体のセパレータは水セパレータである、請求項１に記載のガス及び液体のセパレータ。
【請求項１５】
Ｈ２の豊富な供給物及び圧縮ガスの流れを受け取り、且つ、電流出力、カソード流出物及びアノード流出物を生成するように作動可能な燃料電池と、該燃料電池からカソード流出物を受け取るガス及び液体のセパレータと、を備える燃料電池システムであって、
入口、出口、並びに、該入口及び出口の間を延在する長さ方向の流れ通路を画成するハウジングと、
前記通路内に長さ方向に間隔を隔てて直列関係に該通路に沿って各々配置され、且つ、各々が該通路の断面の一部分を遮蔽する、複数のバッフルと、
前記バッフルにより画成された複合的な断面遮蔽を選択的に変動させるため該バッフルを相対的に移動させるように取り付ける手段と、
を含むことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項１６】
各々のバッフルは、前記通路を通って延在する中心軸の回りを回転するように取り付けられる、請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
各々のバッフルは、前記中心軸に配置された中央ハブと、該ハブから径方向外側に延在する周方向に間隔を隔てた複数のベーンと、を備える、請求項１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
各々のバッフルの前記ベーンは、前記通路の断面積のうち与えられたパーセンテージを遮蔽し、該通路内の第１及び第２の連続するバッフルが、該通路の該与えられたパーセンテージの断面積から該通路の断面積のうちより大きなパーセンテージまで変動する複合的な断面遮蔽を画成するため相対回転される、請求項１７に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
各々のバッフルの前記ベーンは、前記通路の断面積のうち約半分を遮蔽し、該通路内の第１及び第２の連続するバッフルが、該通路の約半分の断面積から該通路のうち事実上全ての断面積まで変動する複合的な断面遮蔽を画成するため相対回転される、請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記セパレータは、前記バッフルを相対回転するように作動可能な手段を更に備える、請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記可動手段は、前記バッフルと駆動可能に連係され、且つ、周囲温度変動に応答して前記バッフルを相対回転させるように作動可能なバイメタル手段である、請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記可動手段は、前記バッフルと駆動可能に連係されたアクチュエータと、前記燃料電池の検出されたパラメータを反映して該アクチュエータに出力するための制御信号を生成するように作動可能な手段と、を含む、請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記燃料電池の検出パラメータは、該燃料電池に配給された圧縮ガスの流れの湿度、該ガス流れの流量率、該燃料電池内の温度及び圧力、並びに、該燃料電池により生成された電流のうち１つ又はそれ以上を含む、請求項２２に記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記セパレータは、前記中心軸に配置された中央シャフトを備え、
前記中央ハブは、環状であり、直列に積み上げられた関係で前記シャフトに亘って適合される、請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
各々のバッフルの前記ベーンは、前記通路の断面積のうち与えられたパーセンテージを遮蔽し、該通路内の第１及び第２の連続するバッフルが、該通路の該与えられたパーセンテージの断面積から該通路の断面積のうちより大きなパーセンテージまで変動する複合的な断面遮蔽を画成するため相対回転される、請求項２４に記載の燃料電池システム。
【請求項２６】
各々のバッフルの前記ベーンは、前記通路の断面積のうち約半分を遮蔽し、該通路内の第１及び第２の連続するバッフルが、該通路の約半分の断面積から該通路のうち事実上全ての断面積まで変動する複合的な断面遮蔽を画成するため相対回転される、請求項２５に記載の燃料電池システム。
【請求項２７】
前記セパレータは、前記シャフトを回転駆動するアクチュエータを更に備え、
選択されたハブが、前記アクチュエータによる前記シャフトの回転が前記バッフルを相対回転させるように、前記シャフトに係止されている、請求項２４に記載の燃料電池システム。
【請求項２８】
前記セパレータは、前記燃料電池からアノード流出物を受け取るように設けられる、請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項２９】
前記セパレータは、前記燃料電池の上流で、Ｈ2の豊富な供給物を受け取るように設けられる、請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項３０】
前記ガス及び液体のセパレータは水セパレータである、請求項１５に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、より詳しくは、電力を生成するためＨ2の豊富なガスを消費する複数の燃料電池を有するシステムに関する。
【０００２】
【従来技術】
燃料電池は、多数の用途で電力源として使用されてきた。例えば、燃料電池は内燃機関に取って代わるため電気自動車の電力設備で使用するため提案されてきた。陽子交換膜（ＰＥＭ）型式の燃料電池では、水素が燃料電池のアノードに供給され、空気が酸化剤としてカソードに供給される。ＰＥＭ燃料電池は、薄い陽子透過性で非導電性の固体ポリマー膜電解質からなる「膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）」を備え、固体ポリマー膜電解質は、その一方の面にアノード触媒、反対側の面にカソード触媒を有している。ＭＥＡは、一対の導電性エレメントの間に挟まれ、該一対の導電性エレメントは、（１）アノード及びカソード用の電流コレクターとして役立ち、（２）各々のアノード及びカソードの触媒の表面に亘る燃料電池ガス状反応物の分配のための適切なチャンネル及び／又は開口を含む。「燃料電池」という用語は、典型的には、文脈に応じて単一電池及び複数の電池（スタック）のいずれかに言及するため使用される。複数の個々の電池は、一般には、燃料電池スタックを形成するため一緒に束ねられ、一般に、直列に配列されている。スタック内部の各々の電池は、前述した膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含み、そのような膜電極アセンブリの各々は、その電圧の増分を提供する。スタック内部で隣接する電池のグループは、クラスターと称される。スタック内における多数の電池の典型的な配列は、ゼネラル・モーターズ・コーポレーションに譲渡された、米国特許番号５，７６３，１１３号で説明されている。
【０００３】
ＰＥＭ燃料電池では、水素（Ｈ2）がアノード反応物（即ち燃料）であり、酸素がカソード反応物（即ち酸化剤）である。酸素は、純粋形態（Ｏ2）、空気（Ｏ2とＮ2の混合物）及び他のガスと組み合わされたＯ2のいずれでもよい。固体ポリマー電解質は、典型的には例えばペリフルオロ化スルホン酸（perfluoronated sulfonic acid）などのイオン交換樹脂から作られる。アノード／カソードは、典型的には細かく分割された触媒粒子を含み、これらの粒子は、しばしば炭素粒子に担持され、陽子伝達性樹脂と混合される。触媒粒子は、典型的には、高価な貴金属粒子である。これらの膜電極アセンブリは、製造する上で比較的高価であり、効率的な作動のため、適切な水管理、加湿及び一酸化炭素（ＣＯ）などの触媒汚染要素の制御を含む幾つかの条件を必要とする。
【０００４】
車両の用途に対しては、燃料電池用の水素源として例えばアルコール（例えばメタノール又はエタノール）或いは炭化水素（例えばガソリン）などの液体燃料を使用するのが望ましい。車両用のそのような液体燃料は、車内に蓄えるのが容易であり、液体燃料を供給するための全国的なインフラストラクチャーが存在する。しかしながら、そのような燃料は、燃料電池に燃料供給するためには、その水素含有成分を解放するように解離されなければならない。解離反応は、化学燃料プロセッサ即ち改質器内部で達成される。燃料プロセッサは、１つ又は複数の反応器を含み、該反応器では、燃料は、主要には水素及び二酸化炭素を含む改質ガスを与えるため、蒸気と反応し、場合によっては空気とも反応することがある。例えば、蒸気メタノール改質プロセスでは、理想的には、メタノール及び（蒸気としての）水が水素及び二酸化炭素を生成するように反応される。実際には、一酸化炭素及び水も生成される。ガソリンの改質プロセスでは、蒸気、空気及びガソリンが、２つの区分を含む燃料プロセッサ内で反応される。そのうちの１つの区分は、主として部分酸化反応器（ＰＯＸ）であり、他方の区分は、主として蒸気改質器（ＳＲ）である。燃料プロセッサは、水素、二酸化炭素、一酸化炭素及び水を生成する。下流の反応器は、水／ガスシフト反応器（ＷＧＳ）及び優先酸化反応器（ＰＲＯＸ）などを含み得る。優先酸化反応器では、二酸化炭素（ＣＯ2）が、空気から得られる酸素を酸化剤として使用して、一酸化炭素（ＣＯ）から生成される。ここで、空気供給の制御は、ＣＯをＣＯ2に選択的に酸化させるために重要である。
【０００５】
ＰＥＭ燃料電池によって消費するための水素の豊富な改質物を生成するため炭化水素燃料を処理する燃料電池システムが知られている。このシステムは、本発明の代理人であるゼネラル・モーターズ・コーポレーションに各々譲渡されている、１９９７年１１月に出願された現在係属中の米国特許出願シリアル番号０８／９７５，４４２号及び０８／９８０，０８７号、並びに、１９９８年１１月に出願された米国特許シリアル番号０９／１８７，１２５号で説明されており、更に、１９９８年３月５日に公開された、国際特許出願番号ＷＯ９８／０８７７１号で説明されている。典型的なＰＥＭ燃料電池及びその膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、各々１９９３年１２月２１日に登録された米国特許５，２７２，０１７号及び１９９４年５月３１日に登録された米国特許５，３１６，８７１号で説明されている。それらの特許はゼネラル・モーターズ・コーポレーションに譲渡されている。
【０００６】
燃料電池システムの効率的な作動は、システム内に効率的な水管理を提供する能力、特に、システム内の水の再生及び再循環を制御する能力に依存する。
燃料電池システムは、燃料電池スタックで発生する電気化学反応の生成物として水を生成する。生成物としての水の物理的状態は、電気化学反応が生じるところの、温度及び圧力に依存する。一般には、生成物としての水は、より高い温度及びより低い圧力で蒸気であり、より低い温度及びより高い圧力で液体である。このため、生成物としての水は、燃料電池スタックが低温であるとき液体として存在し、スタックが完全作動温度に達するとき、水蒸気へと次第に遷移する。
【０００７】
生成物としての水が、燃料電池内の他の目的、例えば、燃料プロセッサに反応物として水を提供するというような目的、のため使用することができるように、連続的に再生することが必要となる。水は、物理的状態に依存した様々な態様で再生される。液体形態にあるとき、生成物としての水は、典型的には、機械的な水セパレータにより再生され、生成物としての水が蒸気であるとき、それは、典型的には、凝縮器により再生される。本発明は、液体水が存在するとき、それを再生するための機械的な水セパレータに関する。
【０００８】
機械的な液体水セパレータの設計は、分離効率、ガス流れ圧力降下、及び、物理的体積の間のトレードオフを与える。その目的は、分離効率を最大にし、ガス流れ圧力降下を最小にし、及び、構成部品の物理的体積を最小にすることである。最大分離効率は、生成物としての水がシステムの他の使用のため十分に再生されるようにすることが望まれる。最小圧力降下は、システム内のパワー要求を最小にし、かくして、システム全体効率を増加させることが望まれる。最小物理的体積は、構成部品が、自動車への燃料電池の適用において容易にパッケージされることが望まれる。
【０００９】
現在のところ産業上利用可能な水セパレータは、特定の、専用のガス流れ率及び水負荷に対して設計されている。燃料電池システム内のガス流れ率及び水負荷は一定ではないので、現在のセパレータ設計は、可能となる、最高のガス流れ率及び最悪の水負荷に対してサイズが定められなければならない。その結果、小さいパーセンテージを占める時間（即ち、始動条件）に対してのみ、最大のガス流れ率及び水負荷を経験するように設計され過ぎた構成部品を生み出すことになる。このように過度に設計された構成部品は、高い圧力降下（非効率）、又は、大きな物理的体積を備えた燃料電池システムを提供することになり、自動車への燃料電池の適用を有用でなくさせる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記問題を解決することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、液体水が存在した場合、液体水を分離し、液体水が存在しない場合、ガス（水蒸気を含む）が自由に通って流れることを可能にする能力を提供する。本発明の利点は、構成部品が能動的に機能するとき、装置内の圧力降下がシステムによって単に認識されるだけであるということである。液体水の欠如に起因して構成部品に対する必要性が存在しない場合、システムは、その存在を認識せず、かくして、システム全体効率を増加させる。また、装置をより小さいサイズ即ち体積にする機会も存在する。本装置は、小さい時間部分に対してのみ機能するからである。即ち、より小さい体積はより高い圧力降下を生成するが、システム効率に対するインパクトは最小にされる。本装置は、時間の小さいパーセンテージに対してのみ機能するからである。更には、液体水が存在する場合、水再生要求に従って、分離効率を制御することが可能である。
【００１２】
本発明によれば、セパレータは、入口、出口、並びに、該入口及び出口の間を延在する長さ方向の流れ通路を画成するハウジングと、該通路内に長さ方向に間隔を隔てて直列関係に該通路に沿って各々配置され、且つ、各々が該通路の断面の一部分を遮蔽する、複数のバッフルと、該バッフルにより画成された複合的な断面遮蔽を選択的に変動させるため該バッフルを相対的に移動させるように取り付ける手段と、を含む。この構成では、個々のバッフルを、該バッフルにより画成される複合的な断面遮蔽を選択的に変動させるように選択的に調整することができ、これによって、特定のガス流れ率及びシステム内で瞬間的に遭遇する水の負荷作用に適合させるようにセパレータをカスタマイズする。
【００１３】
本発明の更なる特徴によれば、各々のバッフルは、該通路を通って延在する中心軸の回りを回転するように取り付けられる。この特定の構成は、特定の水負荷のシナリオと適合するようにバッフルの相対調整を容易にする。
【００１４】
本発明の更なる特徴によれば、各々のバッフルは、中心軸に配置された中央ハブと、該ハブから径方向外側に延在する周方向に間隔を隔てた複数のベーンと、を備える。この特有の構成は、特定の水負荷のシナリオと適合するようにセパレータを容易に調整する能力を更に改善する。
【００１５】
本発明の更なる特徴によれば、各々のバッフルのベーンは、通路の断面積のうち与えられたパーセンテージを遮蔽し、該通路内の第１及び第２の連続するバッフルが、該通路の該与えられたパーセンテージの断面積から該通路の断面積のうちより大きなパーセンテージまで変動する複合的な断面遮蔽を画成するため相対回転される。例えば、各々のバッフルのベーンは、通路の断面積のうち約半分を遮蔽し、該通路内の第１及び第２の連続するバッフルが、該通路の約半分の断面積から該通路のうち事実上全ての断面積まで変動する複合的な断面遮蔽を画成するため相対回転される。
【００１６】
本発明の更なる特徴によれば、セパレータは、検出されたシステムパラメータに応答して、バッフルを相対回転するように作動可能な手段を更に備える。
本発明の更なる特徴によれば、可動手段は、バッフルと駆動可能に連係されたアクチュエータと、燃料電池の検出されたパラメータを反映して該アクチュエータに出力するための制御信号を生成するように作動可能な手段と、を含む。この構成は、燃料電池システムで遭遇される瞬間的な水負荷の状況に適合するためセパレータを自動的に調整することを可能にする。
【００１７】
本発明の更なる特徴によれば、燃料電池の検出パラメータは、該燃料電池に配給された圧縮ガスの流れの湿度、該ガス流れの流量率、該燃料電池内の温度及び圧力、並びに、該燃料電池により生成された電流のうち１つ又はそれ以上を含む。様々に組み合わされた、これらのパラメータは、燃料電池の瞬間的な水負荷状況の測度を提供し、これによって、システムの瞬間的な水負荷の状況を反映するようにセパレータを調整することを可能にする信号を生成する手段を提供する。
【００１８】
本発明の更なる特徴によれば、セパレータは、中心軸に配置された中央シャフトを備え、該中央ハブは、環状であり、直列に積み上げられた関係で該シャフトに亘って適合される。この構成は、様々に変動する水負荷シナリオにシステムを調整するため、システムにバッフルを容易に追加したり、削減したりするように、バッフルがモジュール形態に形成されることを可能にする。
【００１９】
本発明の更なる特徴によれば、ハウジングは区分化されており、用いられるモジュールの数に従ってハウジングのサイズを変えるため、用いられるモジュールの数に従って交換され得るモジュール式構成部品を備える。この構成は、セパレータアセンブリ全体を、遭遇される特定の水負荷条件に容易にカスタマイズすることを可能にする。
【００２０】
本発明の更なる特徴によれば、セパレータは、シャフトを回転駆動するアクチュエータを更に備え、選択されたバッフルの選択されたハブが、アクチュエータによるシャフトの回転がバッフルを相対回転させるように、シャフトに係止されている。この構成は、アクチュエータが受け取る信号に従って、セパレータの流れ特性を変動させるようにバッフルを相対移動させる、容易且つ効率的な手段を提供する。
【００２１】
本発明の更なる特徴によれば、セパレータは、燃料電池からカソード流出物を受け取るように構成され、該カソード流出物から水を分離し、反応物である水として、燃料プロセッサに配給するように機能する。
【００２２】
本発明の更なる特徴によれば、上記セパレータは、燃料電池からアノード流出物を受け取り、及び／又は、燃料電池の上流で改質物を受け取るように形成される。これらの更なるセパレータは、反応物である水として、燃料プロセッサに配給するため、システムから水を効率的に取り出す更なる手段を提供する。
【００２３】
本発明の代替実施形態では、バッフルを相対可動させるための手段は、選択されたバッフルと駆動可能に連係され、且つ、周囲温度変動に応答してバッフルを相対回転させるように作動可能なバイメタル手段である。この構成は、バッフルを取り付けたシャフトを駆動するアクチュエータにより提供される能動システムに対して、バッフルの相対位置を制御する受動的なシステムを提供する。
【００２４】
本発明の様々な特徴、利点及び他の使用方法は、次の説明及び添付した図面を参照することによってより明らかとなろう。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の水セパレータの構成及び作用は、例としてのみ図１に示された燃料電池システムを参照して更に理解することができる。従って、本発明の水セパレータを更に説明する前に、該水セパレータが内部で機能するシステムを理解することが有用である。
【００２６】
図１は、燃料電池システムの一例を示している。このシステムは、車両推進用のエネルギー源として車両（図示せず）で使用することができる。本システムでは、炭化水素は、例えば、体積又はモル単位で比較的高い水素含有量を有する改質ガスを生成するため改質及び優先酸化プロセスによって燃料プロセッサ内で処理される。従って、水素の豊富な、比較的高い水素含有量の改質物即ち供給流れが基準とされる。
【００２７】
以下、本発明は、改質物が作られる方法に係りなく、Ｈ2の豊富な当該改質物により燃料供給される燃料電池の文脈で説明される。本文中で具体化された原理は、改質可能な炭化水素及び水素含有燃料、例えばメタノール、エタノール、ガソリン、アルケン、又は、他の脂肪族若しくは芳香族の炭化水素などを含む任意の源から得られるＨ2、又は、車内に蓄えられたＨ2により燃料供給される燃料電池に適用可能であることが理解されるべきである。
【００２８】
図１に示すように、燃料電池装置は、改質可能な炭化水素の燃料の流れ６と、水の流れ８からの蒸気の形態にある水とを触媒的に反応させるための燃料プロセッサ２を備えている。幾つかの燃料プロセッサでは、空気は、優先酸化／蒸気改質反応の組み合わせにおいても使用される。この場合には、燃料プロセッサ２は、空気の流れ９も受け入れる。燃料プロセッサは、１つ又はそれ以上の反応器１２を含み、該反応器では、流れ６内の改質可能な炭化水素燃料が、水素の豊富な改質物を生成するため、水／流れ８及び場合によっては（流れ９内の）空気の存在下で解離を経験する。更には、各々の反応器１２は、１つ又はそれ以上の反応器ベッドを持ち得る。反応器１２は、１つ又はそれ以上の区分即ちベッドを持ち、様々な設計が知られ且つ利用可能である。従って、反応器１２の選択及び配置は、変更することができる。以下、例として掲げた燃料改質反応器１４及び下流側の反応器１６を説明する。
【００２９】
例示によれば、一例としての蒸気／メタノール改質プロセスでは、メタノール及び（蒸気としての）水は、従来技術の欄で前述したように、水素及び二酸化炭素を生成するため、反応器１４内で理想的に反応される。実際には、一酸化炭素及び水も生成される。更なる例によれば、一例としてのガソリン改質プロセスにおいて、蒸気、空気及びガソリンが２つの区分を有する反応器１４を含む燃料プロセッサ内で反応される。反応器１４の一方の区分は、主要には、部分酸化反応器（ＰＯＸ）であり、当該反応器の他方の区分は、主要には、蒸気改質器（ＳＲ）である。メタノール改質の場合のように、ガソリン改質は、所望の水素を生成するが、加えて、二酸化炭素、水及び一酸化炭素を生成する。従って、各々の型式の改質の後、生成物の流れの一酸化炭素含有量を減少させることが望ましい。
【００３０】
従って、燃料プロセッサは、例えば水／ガスシフト（ＷＧＳ）反応器及び優先酸化反応器（ＰＲＯＸ）などの１つ又はそれ以上の下流反応器１６も典型的に備えており、これらは、従来技術の欄で前述したように、一酸化炭素から二酸化炭素への生成に使用される。好ましくは、水素、二酸化炭素、一酸化炭素及び水を含む最初の改質ガスの流れは、許容可能なレベル、例えば２０ｐｐｍ以下にＣＯレベルを減少させるため、優先酸化（ＰＲＯＸ）反応器１６で更に処理される。次に、Ｈ2の豊富な改質物２０は、バルブ３１を通して燃料電池２２のアノードチャンバーに供給される。これと同時に、酸化剤の流れ２４からの酸素（例えば空気）は、燃料電池２２のカソードチャンバーに供給される。改質物の流れ２０からの水素及び酸化剤の流れ２４からの酸素は、電気を生成するため燃料電池２２内で反応する。
【００３１】
燃料電池２２のアノード側からの排出物即ち流出物２６は、未反応の水素を幾らか含む。燃料電池２２のカソード側からの排出物即ち流出物２８は未反応の酸素を幾らか含む。酸化剤の流れ２４用の空気は、空気供給源、好ましくは、コンプレッサ３０により供給される。空気供給源（コンプレッサ３０）からの空気は、通常の作動条件下ではバルブ３２によって燃料電池２２に向けられる。しかしながら、始動の間では、バルブ３２は、燃焼器３４の入力通路に直接空気を提供するために付勢される。空気は、ライン４６を介して供給された燃料と反応するため、燃焼器３４で使用される。燃焼器の熱は、燃料プロセッサ２の様々な部分を加熱するため使用される。
【００３２】
燃料プロセッサ２内で発生する反応の幾つかは、吸熱性であり、その結果、熱を必要とし、他の反応は発熱性であり、熱の除去を必要とすることに着目されたい。典型的には、ＰＲＯＸ反応器１６は、熱の除去を必要とする。反応器１４内の改質反応の１つ又はそれ以上は、典型的には、吸熱性であり、熱が追加されることを必要とする。これは、典型的には、反応物、燃料６、流れ８及び空気９を予め加熱することによって、及び／又は選択された反応物を加熱することによって達成される。
【００３３】
燃焼器３４からの熱は、始動の間、燃料プロセッサ２内の選択された反応器及び反応器ベッドを加熱する。燃焼器３４は、必要に応じて、間接的な熱輸送によって、燃料プロセッサ内の選択された反応器及びベッドの加熱を達成する。典型的には、そのような間接的に加熱される反応器は、入口及び出口を備えた反応チャンバーである。反応チャンバーの内部では、これらのベッドは、キャリア部材基体の形態にあり、各々は、所望の化学反応を達成するための触媒的な活性材料を担持する第１の表面を有する。第１の表面と反対側にある第２の表面は、熱いガスからキャリア部材基体への熱輸送のため形成されている。更に加えて、燃焼器３４は、燃料プロセッサ２への反応物質として供給される、燃料６、水８及び空気９を予備加熱するため使用可能である。
【００３４】
燃料プロセッサ２に供給される空気９は、１つ又はそれ以上の反応器１２において使用され得ることに着目されたい。反応器１４がガソリン改質反応器である場合、ライン９からの空気は反応器１４に供給される。ＰＲＯＸ反応器１６もＣＯをＣＯ2に酸化させるため空気を利用し、ライン９を介して空気供給源（コンプレッサ３０）から空気を受け取る。
【００３５】
燃焼器３４は、入口端部４２、排出端部４４及び両端部の間の触媒区分４８を備えるチャンバー４１を画成する。炭化水素燃料は、燃焼器の中に注入される。炭化水素燃料は、液体形態にある場合、燃焼器へ注入される前、又は、燃焼器の一区分に注入される前のいずれかで蒸発されて燃焼用の燃料として分散させるのが好ましい。蒸発は、電気ヒーターによりなすことができる。一旦、システムが作動し、燃焼器が加熱された場合、蒸発は、入ってくる燃料を蒸発させるため燃焼器の排出物からの熱を使用して熱交換により発生させることができる。好ましくは、燃料計量装置４３は、炭化水素の燃料が燃焼器に提供される率を制御するため提供される。
【００３６】
炭化水素燃料４６及びアノード流出物２６は、燃焼器３４の触媒区分４８内で反応され、この区分は、燃焼器３４の入口端部４２及び出口端部４４の間に存在する。酸素は、バルブ３２を介して空気供給源（即ち、コンプレッサ３０）、又は、例えばカソード流出物の流れ２８などの第２の空気の流れのいずれかから、システム作動状態に応じて、燃焼器３４に提供される。バルブ５０は、燃焼器の排出物３６が燃料プロセッサ２内の反応物を加熱するため必要とされないとき、それを大気に捨て去ることを可能にする。
【００３７】
理解できるように、炭化水素の燃料の流れ４６は、燃料電池装置の遷移状態及び定常状態の必要性に合致させるため、必要とされるとき、燃焼器３４のための燃料であるアノード流出物２６を増補する。幾つかの状況では、排気ガスは、大気に解放される前に、レギュレータ３８、停止バルブ１４０及びマフラー１４２を通過する。図１のシンボルは、以下の通りである。「Ｖ」はバルブ、「ＭＦＭ」は流量計、「Ｔ」は温度モニター、「Ｒ」はレギュレータ、「Ｃ」は燃料電池のカソード側、「Ａ」は燃料電池のアノード側、「ＩＮＪ」はインジェクタ及び「ＣＯＭＰ」はコンプレッサ、Ｓは水セパレータである。
【００３８】
燃料プロセッサ２内の選択された反応器により要求される熱量は、燃焼器３４により供給されるべきであり、燃料の量、水入力及び究極的には燃料プロセッサ２内の所望の反応温度に依存する。前述したように、空気も燃料プロセッサで使用されることがあり、燃料及び水の導入と共に考慮されなければならない。燃料プロセッサ２の熱要求量を供給するため、燃焼器３４は全てのアノード排気物即ち流出物及び可能ならば幾らかの炭化水素燃料を利用する。エンタルピーの方程式が、燃焼器３４の所望の熱必要量に合致させるように燃焼器３４に供給されるべきカソード排気物即ち空気の量を決定するために使用され、究極的には燃料プロセッサ２の要求を満足させる。燃焼器３４に提供される酸素又は空気は、典型的に燃料電池２２のカソードに供給される全酸素のうちある一定の割合でカソード流出排気物２８、及び、コンプレッサ３０からの空気流れのうち１方又は両方を含んでいる。これは、当該装置がコンプレッサ空気流れが排他的に用いられる始動モードで作動しているか或いはカソード流出物２８及び／又はコンプレッサ空気を使用した駆動モードのいずれかで作動しているかに応じて定まる。駆動モードでは、カソード流出物２８によっては合致されない燃焼器３４により必要とされる空気全体、酸素、希釈剤は、燃焼器３４及び燃料プロセッサ２により各々要求される熱及び温度を満足させるためのある一定量が、コンプレッサ３０によって供給される。空気の制御は、空気希釈バルブ４７を介して実行される。このバルブは、燃焼器３４に供給されるカソード排出物２８の抜き取り量を制御するため可変のオリフィスを有する、ステッパーモータ駆動型のバルブである。
【００３９】
燃料電池装置の上記例では、その作動は、次の通りとなる。燃料電池装置が低温で始動するときの作動の開始時において、（１）システムに必要となる空気を提供するためコンプレッサ３０が外部電源（例えばバッテリー）から付勢される電気モータによって駆動される。（２）空気が燃焼器３４に導入される。炭化水素燃料４６（例えばＭｅＯＨ又はガソリン）が燃焼器３４に注入される。（３）空気及び燃料が、燃焼器３４内で反応し、そこで、ほぼ完全な燃料の燃焼がもたらされる。（４）燃焼器３４から出た高温排気ガスは、燃料プロセッサ２と連係した選択された反応器１２に輸送される。
【００４０】
一旦、燃料プロセッサ２内の反応器が適切な温度を達成した場合、改質プロセスが開始する。このプロセスは次の工程を含む。（１）バルブ３２が、空気を燃料電池２２のカソード側に差し向けるため作動される。（２）燃料及び水が、改質反応を開始するため燃料プロセッサ２に供給される。（３）燃料プロセッサ２から出た改質物が燃料電池２２のアノード側に供給される。（４）燃料電池２２からのアノード流出物２６が燃焼器３４に向けられる。（５）燃料電池２２からのカソード流出物２８が燃焼器３４に向けられる。（６）燃料、空気、カソード流出物２８及びアノード流出物２６が燃焼器３４内で燃焼される。好ましいシーケンスでは、燃焼器に直接空気を供給すると共に、工程（２）が最初に実行される。次に、水素の豊富な流れが、適切に低いＣＯレベルを有する場合、工程（１）及び（３）が実行され、工程（４）、（５）及び（６）が続いて実行される。好ましいシーケンスでは、空気が燃焼器へ直接供給されると共に、工程（２）が最初に実行される。次に、水素の豊富な流れが適切に低いＣＯレベルを有する場合、工程（１）及び（３）が実行され、続いて工程（４）、（５）及び（６）が実行される。
【００４１】
幾つかの条件の下では、燃焼器３４は、追加の炭化水素燃料４６の必要無しに、アノード及びカソード流出物単独で作動することができる。そのような条件の下では、燃焼器３４への燃料の注入は中断される。他の条件、例えば電力の要求を増加させる条件の下では、増補の燃料４６が燃焼器３４に提供される。燃焼器３４は、例えば、炭化水素燃料、並びに、燃料電池２２のアノードからのアノード流出物２６などの多数の燃料を受け取ることを理解することができる。燃料電池２２のカソードからの酸素を使い果たした排出空気２８及びコンプレッサ３０からの空気も、燃焼器３４に供給される。
【００４２】
本燃料電池システムの一例によれば、図１に示されたコントローラ１５０は、図１に示されたシステムの様々な態様の作動を制御する。コントローラ１５０は、任意の適切なマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、パーソナルコンピュータなどから構成することができ、これは制御プログラム及びメモリ中に格納されたデータを実行することが可能な中央処理ユニットを有する。コントローラ１５０は、図１の任意の構成要素に特化した専用コントローラであってもよく、或いは、主要な車両用電子制御モジュールに格納されたソフトウェアで実行されてもよい。更に、ソフトウェアベースの制御プログラムが上述したように様々な作動モードにおけるシステム構成要素を制御するため利用可能であるが、このような制御は専用の電子回路によって部分的又は全て実行されてもよいことが理解されよう。
【００４３】
好ましい実施形態では、燃料電池システムは、車両推進システム６０（図２を見よ）の一部分として燃料電池２２を含む。ここでは、燃料電池システムの外部回路６０の一部分は、バッテリー６２、電気モータ６４、及び、これらの連係する駆動用電子機器を含む。この駆動用電子機器はインバータ６５を含み、燃料電池システム、特に燃料電池２２と連係された直流から直流への（ＤＣ／ＤＣ）コンバータ６１から電気エネルギーを受け取り、それをモータ６４により生成される機械的エネルギーに変換するように構成及び配置されている。バッテリー６２は、燃料電池２２により供給された電気エネルギーを受け取ってこれを蓄え、再生成の空白期間の間にモータ６４により供給された電気エネルギーを受け取ってこれを蓄え、及び該電気エネルギーをモータ６４に提供するため構成及び配置されている。モータ６４は、車両（図示せず）の車輪を回転させるため駆動車軸６６に連結されている。電気化学的エンジン制御モジュール（ＥＥＣＭ）７０及びバッテリーパックモジュール（ＢＰＭ）７１は、例えばスタックの電圧及び電流を含む様々な作動パラメータを監視するが、これらのパラメータに限定されるものではない。この監視は、例えば、バッテリーパックモジュール（ＢＰＭ）７１によって又はＢＰＭ７１及びＥＥＣＭ７０の両方によって、ＢＭＰ７１により監視される状態に基づいて車両コントローラ７４に出力信号（メッセージ）を送るため、なされる。車両コントローラ７４は、電気モータ６４、インバータ６５を含む駆動用電子機器、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１を制御し、ＥＥＣＭ７０からの電力レベルを要求する。
【００４４】
システム内の水管理、特に燃料プロセッサに反応物である水を供給する等、システム内の様々な使用のためシステムからの水を再生することを容易にするため、１つ又は複数のセパレータＳがシステム内で用いられる。例えば、図示のように、セパレータＳは、燃料電池からのカソード流出物を受け取るように配置され、更に、セパレータＳは、燃料電池からのアノード流出物を受け取るように配置され、更に、セパレータＳは、燃料電池の上流で改質物を受け取るように配置される。所望の場合には、更なるセパレータ（図示せず）が、燃焼器の排気に連係して設けられてもよい。
【００４５】
図３乃至８を参照すると、幅広く考慮された各セパレータＳは、ハウジングアセンブリ８２、複数のバッフル８４、並びに、取り付け及び可動手段８６を備える。他の仕方で示されない限り、セパレータの構成部品は、適切な鉄材料から形成される。
【００４６】
ハウジングアセンブリ８２は、円状ドーム即ちカバー８８と、該ドームの中央部に動かないように配置された円錐台状出口９０と、円柱ガラスシェル９２と、入口９４と、円柱リザーバー９６と、ドレイン９８と、環状フランジ９９と、を備える。
【００４７】
ハウジングアセンブリの組み立てられた関係では、シェル９２の下側エッジは、リザーバー９６の上側エッジ内に入れ子式に適合し、シェルの上側エッジは、フランジ９９がドーム及びシェル間の当接エッジを取り囲んだ状態でドーム９０の下側エッジと当接して係合する。組み立てられた部品は、フランジ９９の円周方向に間隔を隔てた各位置に設けられたラグ９９ａの間に配置された、円周方向に間隔を隔てた複数のロッド１００と、リザーバー９６の上側エッジの円周方向に間隔を隔てた各位置に設けられたラグ９６ａとによって、一緒に保持される。ボルト１０２がラグ９９ａ及び９６ａを通して延在し、ロッド１００の上側端部及び下側端部と螺号してハウジングの組み立てを達成する。入口９４が、リザーバーの上側エッジの近傍でリザーバー９６の側壁に動かないように固定され、ドレイン９８が、リザーバーの底壁の近傍でリザーバーの側壁に動かないように固定される。
【００４８】
各々のバッフル８４（図５、６及び７）は、中央環状ハブ１０４と、該ハブの外側周辺部の回りの円周方向に沿って間隔を隔てた各位置で該ハブの外側周辺部に動かないように固定された複数のベーン１０６と、を備える。各バッフルは、各ベーンの側部エッジ１０６ａがハブから径方向外側に延在し、組み合わされた２つのベーンが約１８０°の弧を描くように各ベーンの外側エッジ１０６ｂが約９０°の弧を描く状態で、２つの直径方向に対向するベーン１０６を備えるのが好ましい。これらのベーンは、好ましくは、平坦なブレード状の形態を有する。
【００４９】
取り付け及び可動手段８６は、中央シャフト１０８、シャフトピン１１０及びアクチュエータ１１２を備える。
シャフト１０８の下側端部は、リザーバーの底壁９６ｂに設けられた、ハブ及びベアリング構造部を通過し、シャフトの上側端部は、出口９０の下側端部にスパイダー８８ａにより設けられた、ハブ及びベアリング構造部に収容され、シャフトの中央領域は、リザーバー内部の仕切り壁９６ｃ内に設けられた、ハブ及びベアリング構造部を通過する。
【００５０】
アクチュエータ１１２は、リザーバー９６の下方に動かないように配置され、シャフト１０８の下側端部を駆動可能に受け入れる。アクチュエータ１１２は、容易に利用可能であるエネルギーの形態に応じて様々な形態を取り得る。開示されたような燃料電池では、アクチュエータ１１２は、リード線１１４を介した電気信号の受信に応答してシャフト１０８に回転運動を与えるように作動する図示しない手段を有する電動アクチュエータであるのが好ましい。
【００５１】
セパレータの組み立てられた関係では、シャフト１０８の上側及び下側端部は、スパイダー８８ａにより及びリザーバーの下側壁により設けられたベアリング構造部に各々支持される。モジュール式バッフル８４は、クリップ等により支持された最下バッフルが仕切り９６ｃの直ぐ上の位置にある状態で、及び、最上モジュールがスパイダー８８ａのベアリング構造部と直ぐ下にある関係で配置された状態で、シャフトに直列に積み重ねられた関係で配置される。他の全てのバッフルは、モジュールのハブにおける固定係合用のシャフトから径方向外側に延在するピン１１０によりシャフトに動かないように固定される。残りの即ち代替のモジュールは、例えば、シェル９２の内側面上のラグ９２ａと係合するモジュールのベーンの一つの外側周辺部のノッチ１０６ｃによりハウジングに対する回転に対抗するように固定される。この構成では、シャフト１０８がアクチュエータ１０８により回転されるとき、シャフトにピン止めされたバッフルモジュールは、シャフトと共に回転し、シェルに固定された代替のバッフルモジュールは、シェルに対して固定された位置を維持する。
【００５２】
上記構成によれば、図７（Ａ）〜図７（Ｃ）で最も良く理解できるように、モジュール式バッフルスタックに連続的に積み重ねられた第１及び第２のバッフルは、個々のモジュールのベーンが位相が揃った状態又は位相が外れた状態のいずれにあるかに応じて、単一モジュールのベーンにより形成された遮蔽状態から、結合されたモジュールのベーンにより形成されたより大きな遮蔽へと変動する、複合断面遮蔽を画成するように相対的に回転される。例えば、各モジュールの２つのベーンが１８０°の弧範囲を形成するように結合している場合、図７（Ａ）に示されるように全体として位相が外れた状態のベーンは、シェル９２の内側周辺部９２ｂにより画成された円状通路全体を事実上複合的に遮蔽するように結合する。図７（Ｃ）に示されるように全体として位相が揃った状態であるときのモジュールは、シェル９２の内側周辺部９２ｂにより画成された円状通路の１８０°のみ、即ち約半分のみを遮蔽するように、複合的に結合する。図７（Ｂ）に示されるように位相が部分的に外れた状態のときの連続するモジュールは、１／２より大きく、且つ、全体より小さいパーセンテージを占める通路の部分を複合的に遮蔽するように結合する。かくして、アクチュエータ１１２の選択的な作動は、断面通路面積の約１／２から断面通路面積の事実上全てまで変動する通路の複合的な断面遮蔽を画成するためバッフルモジュールを相対回転することを可能とすることが理解できよう。
【００５３】
アクチュエータ１１２は、燃料電池２２の検出されたパラメータを反映する制御信号に応答して作動される。例えば（図１）、センサー１２０は、燃料電池に配給された圧縮ガスの流れ２４の湿度を検出することができる。センサー１２２は、ガス流れの流量率を検出することができる。燃料電池内の温度および圧力を、センサー１２４及び１２６によって各々検出することができる。燃料電池により生成された電流を、センサー１２８により検出することができる。
【００５４】
センサー１２０、１２２、１２４、１２６、１２８及び１３０により生成された信号の１つ又は全ては、リード線１１４を介してアクチュエータ１１２に供給され、燃料電池の１つ又は複数の検出パラメータを反映し、特に各々のセパレータにより処理された流体の流れの水含有量を反映するアクチュエータに配給するための制御信号を生成することが理解されよう。
【００５５】
セパレータにより形成された流れ制限は、スタックにおける各々の連続的な組のバッフルのベーンが通路に沿った幾つかの段階で通路の全遮蔽を提供するように全体として位相が外れている最大流れ制限形態から、全てのバッフルのベーンの全てが位相が揃っており、これによってセパレータを通る比較的制限されていない流れ経路を提供する形態まで際限無く変化させることができることが理解されよう。
【００５６】
セパレータにより提供される制限は、セパレータ内に設けられる幾つかのバッフルモジュールを変化させることによって容易に変化させることができることが理解されよう。詳細には、比較的大きい数のバッフルモジュールを、比較的長いシェル９２と連係させて設けもよい。或いは、比較的小さい数のバッフルモジュールを、ネジ１０２を緩め、バッフルモジュールの数に相当するシェルサイズ及びロッドサイズが用いられた状態での特定のシェル及び特定のロッド１００の再配置によってシェルモジュールの交換が容易に達成される場合には、比較的短いシェル９２との連係させてシャフト１０８に積み重ねてもよい。シャフト１０８は、シャフトの上側区分を、バッフルモジュールの数に相当する上側シャフトの長さが用いられるように交換することを可能にするべく区分内に形成されてもよい。
【００５７】
図９に示された本発明の実施形態では、シャフト上に積み重ねられた連続するバッフルのベーン間の相対的な移動は、前述した実施形態のようにリード線１１４で受け取られた燃料電池パラメータ信号に応答して作働するアクチュエータ１１２により達成されるのではなく、シャフト１０８上に積み重ねられた全ての第２のバッフルモジュールと連係した個々のバイメタルのコイル１３２を利用して達成される。詳細には、バイメタルコイル１３２は、バイメタルコイルの一端部１３２ａがシャフト１０８の外側周辺部に動かないように固定され、並びに、バイメタルコイルの外側包旋部分１３２ｂが周辺部に沿って間隔を隔てた位置１３２ｃでハブ１０４の内側周辺部に動かないように固定された状態で、シャフト上のスタック内のあらゆる第２のモジュールに関して、バッフルモジュールのハブの内側周辺部１０４ａと、シャフト１０８の外側周辺部との間に配置される。
【００５８】
この構成によれば、セパレータの内部及びその回りの環境温度条件が変動するとき、セパレータにより形成された相対制限が選択的に変動し得る。例えば、燃料電池システムが始動時に低温である場合、このとき燃料電池は分離されることを必要とする液体水を生成するので、バッフルは、制限位置に配置される。これに対して、システムが加熱され、本質的に液体水がより少なくなると、バイメタルコイルは、圧力降下を減少させるためより制限の少ない配位にバッフルを強制的に再配置させるように膨張することができる。このようにして、本システムは、装置が活動的には機能しないときは効率を犠牲にしないようにしている。バイメタルにより提供された能動的制御は、センサーの必要性を無くし、図３乃至８の実施形態で用いられたように作動するが、制御の精度を妥協している。
【００５９】
本発明は、慣性分離（inertial separation）の原理で作動する。慣性分離は、ガスの流れに乗せられた液滴が方向を変えることを余儀なくされるとき発生し、移動する液滴の慣性は、それら液滴が元の方向を維持しようとするので、該液滴が物理的障壁を打つことを引き起こす。液滴が物理的障壁即ちバッフルに衝撃を与えるとき、その結果、それらの液体は、流れから脱落する。収集効率は、スタック内のバッフルの数、流れのバッフル上に当たる速度、バッフル上に当たる流れの角度に依存する。
【００６０】
本発明では、バッフルは、垂直に積み重ねられ、且つ、回転可能に中央シャフトに配置される。液体水を含むガスの流れは、入口９４を通って底部近傍の装置の側に入る。流れ内のバルク水は、仕切り９６ｃの適切な排液孔を通ってリザーバー９６に単に排液される。流れに乗せられた液滴は、装置を通って上方に移動する。流れが上昇するにつれて、水滴はバッフル表面を打ち、流れから脱落していく。次に、液体水の無いガスの流れは、装置の頂部において、出口９０を通って排気される。リザーバー９６内に収集されたバルク水は、ドレイン９８を通って流出し、導管１３４を介して、中央リザーバー１３６に移動され、該リザーバーから収集水は、燃料プロセッサに導入するための反応物としての水を提供するため導管１３８を介して移動され得る。前記したように、説明されたセパレータＳが、カソード出口から流出物を受け取るように設けられ、更なるセパレータＳが燃料電池のアノード出口から流出物を受け取るように設けられ、更なるセパレータＳが燃料電池の上流で改質物を受け取るように設けられ、及び、更なるセパレータ（図示せず）が燃焼器の排気物を受け取るように設けられる。各例の場合において、受け取られた物は、水反応物として燃料プロセッサに回送されるため中央リザーバーに回送される。収集された水は、燃料電池に到着した圧縮空気の湿度を制御するため導管２４を通って燃料電池へと流れる空気の流れに回送されてもよい。
【００６１】
セパレータの効率は、バッフルの高さを追加し、バッフル間の間隔を減少させ、スタック内の連続するバッフルの回転方位を調整することによって容易に増加させることができることが理解できよう。これらのパラメータの全ては、セパレータを通る流れに対する制限を多かれ少なかれ可能とするため容易に調整可能である。増加した制限は、より高い分離効率を提供し、より高い圧力降下も同様である。逆に、減少した制限は、より低い分離効率しか提供せず、より低い圧力降下も同様である。
【００６２】
本発明は、燃料電池システム内で能動的には機能しない場合にセパレータを通る圧力降下を最小にし、能動的に機能する場合、分離効率を最大にするように設計される点で独自のものである。これは、バッフルの回転配位を制御することによって達成される。増加した流れ開面積は、より少ない制限を提供し、その反対は、減少した開面積に対して真である。その配位は、アクチュエータを利用した電子的作動により能動的に変化させることができ、或いは、バイメタルエレメントの使用により受動的に変化させることができる。
【００６３】
バッフル位置の能動制御は、システム内の液体水を検出する工程に基づいている。分離されるべき液体水の量は、燃料電池スタックに配給される圧縮ガスの流れの相対湿度、スタックで生成された電流、並びに、スタック内の温度及び圧力に依存する。このため、これらのパラメータに対するシステムのセンサーは、制御コンピュータにデータを提供し、該コンピュータは、過飽和水のモル比を計算し、アクチュエータ１１２を利用したバッフルの作動を適切に信号制御する。詳細には、水のモル比がゼロを超えた場合、バッフルは、液体水を分離するためより制限された配位に位置決めされる。計算結果が過飽和水のモル比を与えなかった場合、バッフルは、装置を通した圧力降下を減少させるためより少ない制限配位にまで再配置される。この再配置工程は、１つのステップで達成してもよく、或いは、様々な水及びガスの流れ負荷に対するセパレータ効率の実験的キャリブレーションにより決定された一連の増分回転ステップで達成してもよい。
【００６４】
本発明のセパレータは、液体水が存在するとき液体水を分離し、液体水が存在しないとき水蒸気を含むガスが自由に通過して流れることを可能にする能力を提供する。この構成の利点は、構成部品が能動的に機能するとき、装置内の圧力降下がシステムによって単に認識されるだけであるということである。液体水の欠如に起因して構成部品に対する必要性が存在しない場合、システムは、その存在を認識せず、かくして、システム全体効率を増加させる。また、装置をより小さいサイズ即ち体積にする機会も存在する。本装置は、小さい時間部分に対してのみ機能するからである。即ち、より小さい体積はより高い圧力降下を生成するが、システム効率に対するインパクトは最小にされる。本装置は、時間の小さいパーセンテージに対してのみ機能するからである。勿論、小さいサイズは、任意の車両用途に対して重要である。
【００６５】
更には液体水が存在する場合、本発明を用いて、水再生要求に従って分離効率を制御することが可能である。
本発明の好ましい実施形態が図示され、詳細に説明されたが、本発明の範囲又は精神から逸脱することなく、開示された実施形態に対し様々な変更をなすことができることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明に係る、１つ又は複数の水セパレータを用いる燃料電池システムの概略表現図である。
【図２】  図２は、車両推進システムで使用される、本発明の燃料電池システムの概略表現図である。
【図３】  図３は、本発明に係る水セパレータの斜視図である。
【図４】  図４は、水セパレータの上面図である。
【図５】  図５は、図４の５−５線に沿って取られた断面図である。
【図６】  図６は、水セパレータの各部分を示す破断斜視図である。
【図７】  図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、水セパレータで用いられるバッフルの相対的な移動を各々示す図である。
【図８】  図８は、セパレータのハウジングの分解図である。
【図９】  図９は、本発明の代替実施形態に係る、セパレータを示す破断図である。
【符号の説明】
２    燃料プロセッサ
６    燃料の流れ
８    Ｈ２Ｏの流れ
９    空気の流れ
１２、１４    燃料改質反応器
１６    シフト反応器、優先酸化反応器
２０    Ｈ２の豊富な改質物
２２    燃料電池
２４    酸化剤（空気；酸素）の流れ
２６    アノード流出物
２８    カソード流出物
３０    コンプレッサ
３１    バルブ
３２    バルブ
３４    燃焼器
３６    燃焼器の排出物
３８    レギュレータ
４１    チャンバー
４２    入口端部
４３    インジェクタ
４４    出口端部
４６    炭化水素燃料
４７    空気希釈バルブ
４８    触媒区分
５０    バルブ
６０    車両推進システム
６１    ＤＣ／ＤＣコンバータ
６２    バッテリー
６４    モータ
６５    インバータ
６６    駆動車軸
７０    電気化学的エンジン制御モジュール
７１    バッテリーパックモジュール
７４    車両コントローラ
Ｓ      セパレータ
８２    ハウジングアセンブリ
８４    複数のバッフル
８６    取り付け及び可動手段
８８    円状ドームカバー
８８ａ  スパイダー
９０    円錐台状出口
９２    円柱ガラスシェル
９２ａ  シェル内側面上のラグ
９４    入口
９６    円柱リザーバー
９６ａ  ラグ
９６ｂ  リザーバーの底壁
９６ｃ  仕切り壁
９８    ドレイン
９９    環状フランジ
９９ａ  ラグ
１００    ロッド
１０２    ボルト
１０４    中央環状ハブ
１０４ａ  ハブの内側周辺部
１０６    ベーン
１０６ａ  側部エッジ
１０６ｂ  外側エッジ
１０６ｃ  ノッチ
１０８    中央シャフト
１１０    シャフトピン
１１２    アクチュエータ
１１４    リード線
１３２    バイメタルコイル
１３２ａ  バイメタルコイルの一端部
１３２ｂ  バイメタルコイルの外側包旋部分
１３２ｃ  バイメタルコイルの固定位置
【図１】
0003789801.tif 000002
【図２】
0003789801.tif 000003
【図３】
0003789801.tif 000004
【図４】
0003789801.tif 000005
【図５】
0003789801.tif 000006
【図６】
0003789801.tif 000007
【図７】
0003789801.tif 000008
【図８】
0003789801.tif 000009
【図９】
0003789801.tif 000010