JP2014525646A - 貯水器を有する、冷却剤流れ場が密閉された燃料電池発電装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

装置（１０）は、アノード流れ場（２８）およびカソード流れ場（３６）の少なくとも一つの反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）の圧力と、アノードおよび／またはカソード流れ場（２８，３６）を通流する反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）の流量と、密閉された冷却剤流れ場（４４）を通流する冷却流体の温度と、冷却流体の流量と、のうち少なくとも一つを制御し、それにより、燃料セル（２０）によって発生する電力が該燃料セルの最大電力出力の約８０％〜約１００％の間である場合は常に、水（１４）を貯水器（１８Ａ，１８Ｂ）から反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）へと移動させ、かつ、燃料セル電力が最大電力出力の約７５％を下回る場合は常に、水（１４）を反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）から貯水器（１８Ａ，１８Ｂ）へと移動させる。

Description

本発明は、運搬用車両、移動用発電装置、または定置用発電装置としての用途に適した燃料電池に関し、特に本発明は、燃料電池を通流する反応物流れの相対湿度を制御するための装置およびその方法に関する。

燃料電池は公知であり、通常、電気装置に電力を供給するように、水素リッチの燃料流と、酸素を含有する酸化剤流と、から電流を発生させるように用いられる。燃料セルは通常、共通のマニホルドとともに配置された複数の燃料セルと、コントローラおよびバルブ等のその他のコンポーネントと、を有するセルスタックアセンブリ内に配置されて、燃料電池発電装置を形成する。こうした多くの発電装置は、対向するアノード触媒とカソード触媒との間に固定された電解質としての「プロトン交換膜」（「ＰＥＭ」）と、支持材と、を含む「膜電極アセンブリ」（「ＭＥＡ」）を利用する。

こうした従来技術の燃料電池発電装置では、発電装置の長期間の運転に多くの課題が伴うことが知られている。特に、燃料電池の運転中に発生する熱を除去するように、膜電極アセンブリと熱交換する冷却流体を、密閉された冷却剤流れ場を通して導く冷却系を含んだ燃料電池発電装置では、反応物ガスの温度を調節することにより、膜電極アセンブリに隣接して通流する反応物ガス流の相対湿度を間接的に注意深く調節しなければならない。（ここでの目的上、「密閉された冷却剤流れ場」とは、流体が、冷却剤流れ場とその隣接する燃料セルコンポーネントとの間を通過することができないことを意味する。）相対湿度が高すぎる場合、セルの運転時にカソード触媒に発生する水が反応物流れへと蒸発する代わりに液体として蓄積される。これにより、反応物流れを減速させ、あるいはこれを完全に遮断するフラッディングが生じ、不十分または混乱した燃料電池動作をもたらす。

対照的に、反応物流れの相対湿度が低すぎる場合、膜電極アセンブリ内のプロトン交換膜電解質中の水分が反応物流れへと蒸発し、プロトン交換膜の乾燥を生じさせる。これにより、プロトン交換膜を通るプロトンの移動を減速させ、延いては電気の生成を妨げる。プロトン交換膜の乾燥はまた、プロトン交換膜の劣化を招き、破れたまたは破断した膜における気体反応物の漏出が生じうる。このことは燃料電池性能を低下させるだけでなく、ガスの燃焼をもたらすおそれのある複数の反応物ガスの混合の危険性がある。

したがって、発電装置の燃料セルを通流する反応物流れの相対湿度を効果的に維持することのできる、密閉された冷却剤流れ場を有する燃料電池発電装置が必要とされる。

本発明は、酸化剤および水素リッチな燃料反応物の流れから電流を発生させるための燃料電池発電装置用の制御装置を対象とする。この装置は、反応物流れの相対湿度が１．００を上回るときは常に、燃料セル中の反応物流れから貯水器への水の移動を制御する。貯水器が一杯になったときは常にその時点で過剰な水がセルから放出される。（「１．００」の相対湿度とは、気体水を保持する反応物流れの容量の１００％が利用されることを意味する。）反応物流れの相対湿度が１．００を下回るときは常に、制御装置が、燃料セル中の貯水器から反応物流れおよびＰＥＭ（プロトン交換膜電解質）への水の移動を制御する。さらに、制御装置は反応物流れの相対湿度を燃料電池の電力出力と連係させる。特に、燃料電池によって発生する電力が燃料電池の最大電力出力の約８０％〜約１００％の間である場合は常に、水蒸気の形態の水が貯水器から反応物流れへと移動する。そして、燃料セルによって発生する電力が燃料セルの最大電力出力の約７５％を下回る場合は常に、水が、反応物流れから貯水器の利用可能な（空の）容積部へと移動する。（ここでの目的上、用語「約」は、±１０％を意味するものである。）
制御装置は、膜電極アセンブリ（「ＭＥＡ」）を含んだ少なくとも一つの燃料セルを含み、その膜電極アセンブリは、そのアノード触媒面とその反対側のカソード触媒面との間に配置されたプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）を有する。アノード流れ場がアノード触媒面および燃料入口管と流体連通するように画定されて、燃料入口管からの水素リッチの燃料反応物流れをアノード触媒面に近接して案内し、アノード排出管を通してその燃料反応物流れをアノード流れ場からアノード排出流として排出させるように案内する。カソード流れ場がカソード触媒面および酸化剤源と流体連通するように画定されて、酸化剤入口管からの酸化剤反応物流れをカソード触媒面に近接して案内し、カソード排出管を通してその酸化剤反応物流れをカソード流れ場からカソード排出流として排出させるように案内する。

密閉された冷却剤流れ場が、アノード流れ場およびカソード流れ場のうち少なくとも一つと熱交換関係に固定されて、冷却流体を冷却剤ループの入口から冷却剤流れ場を通して案内するとともに、冷却剤ループの出口を通して流れ場から排出させるように案内する。冷却剤ループは、冷却剤ループポンプと、冷却剤ループ流量コントローラと、冷却剤流れ場内の冷却流体の温度を制御するための冷却剤ループ熱交換器と、を含む。さらに、貯水器がアノード流れ場およびカソード流れ場のうちの少なくとも一つと流体連通するように取り付けられるとともに、密閉された冷却剤流れ場から流体的に分離されるように取り付けられる。貯水器は、水をこの貯水器からアノードおよびカソード流れ場の少なくとも一つを通流する反応物流れへと移動させ、かつ、水をアノードおよびカソード流れ場の少なくとも一つを通流する反応物流れから貯水器へと移動させるように構成される。

相対湿度コントローラが、アノード流れ場およびカソード流れ場のうちの少なくとも一つを通流する反応物流れと連通するように取り付けられる。相対湿度コントローラはまた、相対湿度センサと、燃料入口管に取り付けられた燃料入口弁；酸化剤入口管に取り付けられた酸化剤入口弁；酸化剤入口管に取り付けられた酸化剤ブロワ；アノード排出管に取り付けられたアノード排出弁；カソード排出管に取り付けられたカソード排出弁；冷却剤ループポンプ；冷却剤ループ流量コントローラ；および、冷却剤ループ熱交換器；のうちの少なくとも一つと、の間で連通するように取り付けられる。相対湿度センサはまた、アノード流れ場およびカソード流れ場の少なくとも一つを通流する反応物流れの少なくとも一つの相対湿度を測定するための相対湿度センサ手段であってもよい。したがって、相対湿度センサ手段は、相対湿度を感知するための装置であってもよく、あるいは、燃料電池動作パラメータを測定し、少なくとも一つの反応物流れの相対湿度を算出するようにその検知した測定量を用いるセンサなどの、上記の機能を実行することが可能な任意の装置またはそれらの装置の組合せであってもよい。

相対湿度コントローラは、反応物流れの圧力、反応物流れの流量、密閉された冷却剤流れ場の冷却剤の温度、密閉された冷却剤流れ場を通流する冷却流体の流量、のうちの少なくとも一つを選択的に制御するように構成されて、貯水器の容量が利用可能である限りは、燃料セルによって発生する電力が燃料セルの最大電力出力の約８０％〜約１００％の間である場合は常に、水を貯水器から反応物流れへと移動させ、かつ、燃料セルによって発生する電力が燃料セルの最大電力出力の約７５％を下回る場合は常に、水を反応物流れまたはプロトン交換膜から貯水器へと移動させる。代替実施例では、制御装置は、燃料電池を最大電力出力の８０％を上回る出力で運転している間に貯水器が枯渇してしまった場合に、定格出力を下げる電力機能を含みうる。好ましい実施例では、貯水器は、アノードおよびカソード流れ場のうちの少なくとも一つと流体連通するように取り付けられた独立した多孔質体に画定された、または、多孔質体に近接して画定された複数の細孔を含む。

制御装置の運転中、運搬用車両の電動機などの負荷により、電気需要が増加するに従い、燃料セルによって発生する電流密度は上昇し、従って熱の発生が膜電極アセンブリ内で増加して、膜電極アセンブリおよび流れ場内部の温度を上昇させる。この上昇した温度により、反応物流れの相対湿度が低下し、それにより貯水器中に保持された水が反応物流れへと蒸発して相対湿度を上昇させる。相対湿度コントローラは、燃料セルの電力出力がその最大電力出力の約７５％に到達するまで、アノードおよびカソード流れ場の少なくとも一つの内部の反応物流れの相対湿度を、１．００を上回るように維持するように構成される。反応物流れの相対湿度が１．００を上回る一方、燃料セルによって生成された水は、貯水器が一杯となり、カソード排出流れ中に過剰の水が燃料セルから除去されるまでは、貯水器へと移動する。燃料セルの電力出力が、最大電位電力出力の約８０％〜１００％の間に上昇するに従い、温度が上昇し、相対湿度が低下して、貯水器に保持された水が反応物流れへと蒸発する。

こうした貯水器中に保持された水の蒸発はまた、貯水器および隣接する膜電極アセンブリの冷却を促進する。反応物流れの高い相対湿度と蒸発冷却はまた、燃料電池発電装置の高い電流密度の、より高い冷却剤出口温度での運転を可能にする。これにより燃料電池発電装置自体を冷却するための寄生電力需要が低減され、ラジエータサイズが減少する。さらに、過剰な水によるフラッディングを防止するように、酸化剤反応物流れの流量や反応物の流れ圧力などを変化させることにより、燃料電池の最大相対湿度、および低電流出力での運転を調節することができる。

貯水器は、燃料電池が置かれた予測される高電力需要の間、反応物流れの相対湿度を１．００または約１．００に維持するのに十分な水を保持するための適切な容積を画定する。換言すれば、運搬用車両用の燃料セル、または定置用発電装置などの特定の燃料電池は、高電力出力の予測可能な継続時間を有するであろう。貯水器によって画定される水の保持容量は、こうした高電力出力の所定の継続時間の間、反応物流れの相対湿度を１．００または約１．００に維持するように構成される。貯水器によって画定される好ましい水の保持容量は、反応物流れの相対湿度を１．００または約１．００に約５分間維持するのに適切な容量である。５分間の継続時間といった、高電力出力の所定の継続時間の後、制御装置は、燃料電池をその最大電力出力の約７５％未満での運転に戻すように、定格出力を下げる機能を起動してもよい。本発明の制御装置の一つまたは複数の貯水器は、反応物流れ場から水を逃がし、概ね水の除去を簡単にすることにより、燃料電池の動作をさらにアシストする。本発明はまた、上述かつ以下に詳述するように、発電装置の燃料セルを通流する反応物流れの効果的な相対湿度を維持するための、燃料電池発電装置の運転方法を含む。

したがって、本発明の一般的な目的は、従来技術の欠点を克服する、貯水器を有する、冷却剤流れ場が密閉された燃料電池発電装置用の制御装置を提供することである。

さらに具体的な目的は、発電装置の燃料セル内における反応物流れの最適な相対湿度を効果的に維持する、貯水器を有する、冷却剤流れ場が密閉された燃料電池発電装置用の制御装置を提供することである。

添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を一読することにより、本発明に記載の貯水器を有する、冷却剤流れ場が密閉された燃料電池発電装置用の制御装置およびその他の目的、利点が容易に明らかとなるであろう。

本発明の、貯水器を有する、冷却剤流れ場が密閉された燃料電池発電装置の制御装置の概略図。 電圧、電流密度、および熱の関数としての、燃料電池から流出する反応物流れの相対湿度を示すグラフ。 燃料電池の作動温度の上昇に対する、図２のグラフの反応物流れの相対湿度の変化を示すグラフ。

図面を詳しく参照すると、貯水器を有する、冷却剤流れ場が密閉された燃料電池発電装置用の制御装置を図１に示すとともに、概ね参照符号１０で示す。この装置１０は、酸化剤および水素リッチの燃料反応物の流れから電流を発生させるための燃料電池発電装置１２に適用される。この装置１０は、反応物流れ１６Ａ，１６Ｂの相対湿度が１．００を上回るときは常に、反応物流れ１６Ａ，１６Ｂから貯水器１８Ａ，１８Ｂへの水１４の移動を制御する。（「１．００」の相対湿度は、気体水を保持する反応物流れ１６Ａ，１６Ｂの容量の１００％が利用されることを意味する。）
反応物流れ１６Ａ，１６Ｂの相対湿度が１．００を下回る場合は常に、貯水器１８Ａ，１８Ｂから反応物流れ１６Ａ，１６Ｂへの水１４の移動を制御する。さらに、制御装置１０は、反応物流れ１６Ａ，１６Ｂの相対湿度を燃料セル２０の電力出力と連係させる。特に、燃料セル２０によって発生する電力が燃料セル２０の最大電力出力の約８０％〜約１００％の間である場合は常に、水１４を貯水器１８Ａ，１８Ｂのうちの少なくとも一つから反応物流れ１６Ａ，１６Ｂのうちの少なくとも一つへと移動させる。燃料セル２０によって発生する電力が燃料セル２０の最大電力出力の約７５％を下回る場合は常に、水１４を反応物流れ１６Ａ，１６Ｂのうちの少なくとも一つから貯水器１８Ａ，１８Ｂのうちの少なくとも一つへと移動させる。（ここでの目的上、用語「約」は、±５％を意味するものである。）好ましい実施例では、燃料セル２０は、その運転時間の５０％の間、好ましくはその運転時間の７５％の間、水１４を反応物流れ１６Ａ，１６Ｂのうちの少なくとも一つから貯水器１８Ａ，１８Ｂのうちの少なくとも一つへと移動させるように構成される。従って、制御装置１０および燃料セル２０は、燃料セル２０の運転時間の５０％の間、好ましくはその運転時間の７５％の間、燃料セル２０がその最大電力出力の約７５％未満の電力出力を発生させるように構成される。

制御装置１０は、膜電極アセンブリ２２（「ＭＥＡ」）を含んだ少なくとも一つの燃料セル２０を含み、その膜電極アセンブリは、そのアノード触媒面２４とその反対側のカソード触媒面２６との間に配置されたプロトン交換膜２３（「ＰＥＭ」）を有する。アノード流れ場２８がアノード触媒面２４および燃料入口管３０と流体連通するように画定されて、燃料貯蔵源３２からの水素リッチの燃料反応物流れを、燃料入口管３０を通してアノード触媒面２４に近接して案内し、アノード排出管３４を通してその燃料反応物流れをアノード流れ場２８からアノード排出流として排出させるように案内する。カソード流れ場３６がカソード触媒面２６および酸化剤源３８（大気、または酸化剤貯蔵コンテナ３８）と流体連通するように画定されて、酸化剤入口管４０からの酸化剤反応物流れをカソード触媒面２６に近接して案内し、カソード排出管４２を通してその酸化剤反応物流れをカソード流れ場３６からカソード排出流として排出させるように案内する。

密閉された冷却剤流れ場４４が、（図１に示すように）アノード流れ場２８およびカソード流れ場３６のうち少なくとも一つと熱交換関係に固定されて、冷却流体を冷却剤ループ４８の冷却剤入口４６から密閉された冷却剤流れ場４４を通して案内するとともに、冷却剤ループ４８の冷却剤出口５０を通して冷却流体を流れ場４４から排出させるように案内する。冷却剤ループ４８はまた、冷却剤ループポンプ５２と、場合によっては冷却剤ループ４８および冷却剤流れ場４４を通流する冷却流体の流量を制御するための冷却剤流量制御弁５３と、冷却剤流れ場４４を通流する冷却流体の温度を制御するための冷却剤ループ熱交換器５４と、を含む。

少なくとも一つの貯水器１８Ａ，１８Ｂが、アノード流れ場２８およびカソード流れ場３６のうち少なくとも一つと流体連通するように固定されるとともに、密閉された冷却剤流れ場４４から流体的に分離されるように固定される。貯水器１８Ａ，１８Ｂは、水を貯水器１８Ａ，１８Ｂから、アノード流れ場２８およびカソード流れ場３６の少なくとも一つにある反応物流れ１６Ａ，１６Ｂへと移動させ、かつ、水をアノード流れ場２８およびカソード流れ場３６の少なくとも一つにある反応物流れ１６Ａ，１６Ｂから、貯水器１８Ａ，１８Ｂへと移動させるように構成される。例えば、反応物流れがカソード流れ場３６を通流する酸化剤反応物流れ１６Ａである場合、カソード流れ場３６に隣接するように固定された貯水器１８Ａが、流れ１６Ａの相対湿度に応じて、水１４を酸化剤反応物流れ１６Ａへと流入させ、または、水１４を酸化剤反応物流れ１６Ａから流出させる。図１は、膜電極アセンブリ２２の両面に隣接する貯水器１８Ａ，１８Ｂを示すが、貯水器１８Ａ，１８Ｂが反応物流れ１６Ａ，１６Ｂのうちの少なくとも一つと流体連通が維持されるという条件で、貯水器１８Ａ，１８Ｂを異なる位置に配置してもよい。

相対湿度センサ６０が、アノード流れ場２８およびカソード流れ場３６の少なくとも一つを通流する反応物流れと連通するように固定される。好ましくは、相対湿度センサ６０は、図１に概略的に示すようにカソード排出管４２内部のカソード排出流れと連通するように固定される。相対湿度センサ６０は www.sensirion.com から入手可能な Sensirion SHT10でもよく、あるいは反応物流れ１６Ａ，１６Ｂの相対湿度を感知し、感知した相対湿度を伝達することが可能な任意の周知の構造であってもよい。

上述したように、相対湿度センサ６０はまた、アノード流れ場２８およびカソード流れ場３６の少なくとも一つを通流する反応物流れ１６Ａ，１６Ｂの少なくとも一つの相対湿度を測定するための相対湿度センサ手段６０であってもよい。したがって、相対湿度センサ手段６０は、上記の相対湿度を感知するための装置であってもよく、あるいは、燃料電池動作パラメータを測定し、少なくとも一つの反応物流れの相対湿度を算出するようにその検知した測定量を用いるための測定装置（図示せず）などの、上記の機能を実行することが可能な任意の装置またはそれらの装置の組合せであってもよい。

また相対湿度コントローラ６２が第１の通信ライン６４を通して相対湿度センサ６０と通信するように取り付けられる。（文言「通信ライン」とは、電線、光ファイバ、電磁波、可視指示に応答して人間オペレータにより作動される機械弁などの、任意の周知の機構を通して、上記のコンポーネントが互いに通信することを意味し、これらの全てを斜め線６４または以下に記載するその他の斜め線で示す。）相対湿度コントローラは、例えば、コンピュータ、電気機械的制御装置、電気機械的信号または電波信号に応答する油圧制御装置、視覚信号または聴覚信号に応答する人間オペレータなどの、上記の機能を実行する任意の周知の制御手段であってもよい。相対湿度コントローラ６２はまた、以下のコンポーネントの少なくとも一つと通信するように取り付けられる。すなわちコントローラ６２は、燃料入口管３０に取り付けられた燃料入口弁６８に第２の通信ライン６６を通して取り付けられ、酸化剤入口管４０に取り付けられた酸化剤入口弁７２に第３の通信ライン７０を通して取り付けられ、酸化剤入口管４０に取り付けられた酸化剤ブロワ７６に第４の通信ライン７４を通して取り付けられ、冷却剤ループ４８、冷却剤流量制御弁５３、冷却剤ループポンプ５２、および／または冷却剤ループ熱交換器５４に第５の通信ライン７８を通して取り付けられ、カソード排出管４２に取り付けられたカソード排出弁８２に第６の通信ライン８０を通して取り付けられ、アノード排出管３４に取り付けられたアノード排出弁８６に第７の通信ライン８４を通して取り付けられ、そして、アノード排出ガス再循環ライン９１に取り付けられた反応物排出ガス流量制御装置８９などの、反応物排出ガス再循環ラインに取り付けられた反応物排出ガス流量制御装置に第８の通信ライン８８を通して取り付けられる。アノード再循環ライン９１は、アノード排出管３４と燃料入口管３０との間に取り付けられ、反応物排出ガス流量制御装置は、ブロワ８９、エゼクタ、または燃料電池反応物排出ガスを再循環させる流量を制御することが可能な任意のその他の装置でもよい。

相対湿度コントローラ６２は、アノード流れ場２８および／またはカソード流れ場３６内の反応物流れ１６Ａ，１６Ｂの圧力、アノード流れ場２８および／またはカソード流れ場３６を通流する反応物流れ１６Ａ，１６Ｂの流量、密閉された冷却剤流れ場４４の冷却流体の温度、密閉された冷却剤流れ場４４を通流する冷却流体の流量、のうちの少なくとも一つを選択的に制御するように構成されて、燃料セル２０によって発生する電力が燃料セル２０の最大電力出力の約８０％〜約１００％の間である場合は常に、水１４を貯水器１８Ａ，１８Ｂから反応物流れ１６Ａ，１６Ｂへと移動させ、かつ、燃料セル２０によって発生する電力が燃料セル２０の最大電力出力の約７５％を下回る場合は常に、水１４を反応物流れ１６Ａ，１６Ｂから貯水器１８Ａ，１８Ｂへと移動させる。

相対湿度コントローラ６２は、相対湿度センサ６０から受信した情報に応答して上記の一つ以上のパラメータを制御してもよく、あるいは制御装置６２は、単純に燃料電池発電装置１２のその他の動作特性に応答して一つ以上のパラメータを制御するように調整されてもよい。例えば、発電装置１２が定置用の発電装置としての役割を果たし、電流出力のほぼ定常状態で作動するものである場合、主として相対湿度に影響を及ぼす変数は、外気条件である。したがって、相対湿度センサ６２装置は、場合によっては必要ではなく、その他の感知した情報により、あるいは単純に燃料電池の電流出力に応答して、様々な反応物流れ１６Ａ，１６Ｂの相対湿度をつくり出すように、燃料電池発電装置１２を上述したその他の相対湿度センサ手段によって調整してもよい。

好ましい実施例では、貯水器１８Ａ，１８Ｂは、膜電極アセンブリ２２のアノード触媒面２４と流体連通するように取り付けられた疎水性のアノード多孔質体９０に画定された複数の細孔と、膜電極アセンブリ２２のカソード触媒面２６と流体連通するように取り付けられた疎水性のカソード多孔質体９２に画定された複数の細孔と、を含む。代替的な貯水器１８Ａまたは貯水器１８Ａ，１８Ｂは、中空繊維、ガス拡散層中の親水性アセンブリなど、上記の反応物流れ１６Ａ，１６Ｂを流出入する水の輸送を行うことが可能な代替的な構造（図示せず）を含んでもよい。

制御装置１０の運転中、負荷（図示せず）により電気の需要が増加するに従い、燃料セル２０によって発生する電流密度は上昇し、従って膜電極アセンブリ２２によって発生する熱が上昇するとともに、この熱がアノード流れ場２８およびカソード流れ場３６に伝達されて、温度が上昇する。この上昇した温度により、反応物流れ１６Ａ，１６Ｂ内の相対湿度が低下し、それにより貯水器１８Ａ，１８Ｂ中に保持された水１４が反応物流れ１６Ａ，１６Ｂへと蒸発して、反応物流れ１６Ａ，１６Ｂの相対湿度を上昇させる。相対湿度コントローラ６２は、燃料セル２０の電力出力が燃料セル２０の最大電力出力の約７５％に到達するまで、アノードおよびカソード流れ場２６，３６の少なくとも一つの内部の反応物流れ１６Ａ，１６Ｂの相対湿度を、１．００を上回るように維持するように構成される。反応物流れ１６Ａ，１６Ｂの相対湿度が１．００を上回る一方、燃料セル２０によって生成された水は貯水器１８Ａ，１８Ｂ中の利用可能な容積部へと移動し、カソード排出管４２を流出するカソード排出流中において過剰な水１４が燃料セル２０から除去される。燃料セル２０の電力出力が、燃料セル２０の所定の最大電位電力出力の約８０％〜１００％の間に上昇するに従い、燃料セル２０内の温度が上昇し、それにより相対湿度が低下して、貯水器１８Ａ，１８Ｂ中に保持された水１４が反応物流れ１６Ａ，１６Ｂへと蒸発する。

貯水器１８Ａ，１８Ｂはまた、燃料セル２０が置かれた予測される高電力需要の間、反応物流れ１６Ａ，１６Ｂの相対湿度を１．００または約１．００に維持するように、十分な水を保持するための適切な水貯留容積を画定する。運搬用車両（図示せず）用の燃料セル、または定置用発電装置（図示せず）用の燃料セルなどの特定の燃料セル２０は、高電力出力の予測可能な、所定の継続時間を有するであろう。貯水器１８Ａ，１８Ｂによって画定される水の保持容量は、こうした高電力出力の所定の継続時間の間、反応物流れ１６Ａ，１６Ｂの相対湿度を１．００または約１．００に維持するのに適切な体積の水１４を保持する大きさにされる。貯水器１８Ａ，１８Ｂによって画定される好ましい水の保持容量は、反応物流れの相対湿度を１．００または約１．００に約５分間維持するのに適切な容量である。５分間の継続時間といった、高電力出力の所定の継続時間の後、制御装置は、燃料電池をその最大電力出力の約７５％未満での運転に戻すように定格出力を下げる機能を起動してもよい。

図２は、電流密度の上昇に応じて燃料セルから出るカソード流れの相対湿度の変化を示すグラフ上のシミュレーション分極曲線を示す。図２にシミュレートした燃料電池性能は、６５°Ｃの定温の冷却流体が、シミュレートされた燃料電池カソード流れ場に隣接する密閉された冷却剤流れ場を通流する状態で、３２０ｃｍ²のプロトン交換膜の図２の発熱量を産出した。定常状態での相対湿度はプロット線１００で表される。燃料セルの熱はプロット線１０２で表される。燃料セル電圧はプロット線１０４で表される。冷却剤出口の冷却流体の温度はプロット線１０６で表される。図２は、反応物流れの相対湿度が、１平方センチメートルあたり約１．５アンペア（「Ａ／ｃｍ²」）の電流密度（水平軸で示す）で１．０を上回るように維持されることを示す。そして１．５Ａ／ｃｍ²よりも大きい電流密度で１．０未満に低下する。上述したように、燃料セルが１．５Ａ／ｃｍ²を上回る電流密度で運転するたびに反応物流れの相対湿度が１．０未満に下がるとき、水が燃料セルから蒸発してプロトン交換膜の水和の低下を引き起こし、燃料電池性能の低下とプロトン交換膜の有害な水和サイクリング（hydration cycling）を招く。

図３は、シミュレートされた燃料電池性能の図２に記載のものと同じプロット線を示し、その流速が図２の流速の約２／３となるように、密閉された冷却剤流れ場を通流する冷却流体の流れを１．５で割っている。それにより燃料電池を出る冷却流体の温度が上昇し、さらに重要なことには、図３のプロット線１００に示す相対湿度が約１．１Ａ／ｃｍ²で１．０未満に低下している。したがって、図３に示す燃料電池性能は、燃料セルの電流密度または電力出力がその最大電力出力の８０％を超えて上昇するのに応じて、燃料電池を通流する反応物流れの相対湿度を１．００以上に維持するように、冷却流体の流量を変化させることによって冷却流体の温度を調節することが、本発明の相対湿度コントローラ６２によって利用される幾つかの方法のうちの一つであることを証明している。

また本発明は、燃料セル２０を通流する反応物流れ１６Ａ，１６Ｂの効率的な相対湿度を維持するための、冷却剤流れ場が密閉された燃料電池発電装置１２の運転方法を含む。こうした燃料電池発電装置１２の運転方法は、燃料セル２０によって発生する電力が燃料セル２０の最大電力出力の約８０％〜約１００％の間である場合は常に、水１４を貯水器１８Ａ，１８Ｂから反応物流れ１６Ａ，１６Ｂへと移動させ、かつ、燃料セル２０によって発生する電力が燃料セル２０の最大電力出力の約７５％を下回る場合は常に、水１４を反応物流れ１６Ａ，１６Ｂから貯水器１８Ａ，１８Ｂへと移動させるべく、アノード流れ場２８および／またはカソード流れ場３６内の反応物流れ１６Ａ，１６Ｂの圧力、アノード流れ場２８および／またはカソード流れ場３６を通流する反応物流れ１６Ａ，１６Ｂの流量、密閉された冷却剤流れ場４４の冷却流体の温度、および、密閉された冷却剤流れ場４４を通流する冷却流体の流量、のうち少なくとも一つを制御することを含む。

燃料電池発電装置１２の運転方法はまた、燃料セル２０による高電力出力の所定の継続時間の間、反応物流れ１６Ａ，１６Ｂの相対湿度を約１．００に維持するように貯水器１８Ａ，１８Ｂに適切な量の水１４を貯蔵することを含む。適切な量の水１４の貯蔵はまた、燃料セル２０による５分間の高電力出力の継続時間の間、反応物流れ１６Ａ，１６Ｂの相対湿度を約１．００に維持するように適切な体積の水１４を貯蔵することを含む。

密閉された冷却液流れ場を備えた燃料電池発電装置１２の制御装置１０について記載、図示の実施例に関して上記の発明を開示したが、本発明がそれらの代替例や記載の実施例に限定されないことを理解されたい。したがって、本発明の範囲を画定するためには上記の記載を参照するよりもむしろ、本質的に以下の特許請求の範囲を参照すべきである。

Claims (10)

1. 酸化剤反応物流れ（１６Ａ）および水素リッチの燃料反応物流れ（１６Ｂ）から電流を発生させる燃料電池発電装置（１２）の制御装置（１０）であって、
   ａ．少なくとも一つの燃料セル（２０）であって、プロトン交換膜（２３）を有する膜電極アセンブリ（２２）を含むとともに、該プロトン交換膜（２３）は、該膜電極アセンブリ（２２）のアノード触媒面（２４）と、その反対側のカソード触媒面（２６）と、の間に配置されており、アノード流れ場（２８）が、前記アノード触媒面（２４）と、燃料入口管（３０）と、流体連通するように画定されて、前記燃料入口管（３０）から前記水素リッチの燃料反応物流れ（１６Ｂ）を前記アノード触媒面（２４）に近接して案内するとともに、アノード排出管（３４）を通して前記水素リッチの燃料反応物流れ（１６Ｂ）をアノード排出流として該アノード流れ場（２８）から排出するように案内し、カソード流れ場（３６）が、前記カソード触媒面（２６）と、前記酸化剤の供給源（３８）と、流体連通するように画定されて、酸化剤入口管（４０）から前記酸化剤反応物流れ（１６Ａ）を前記カソード触媒面（２６）に近接して案内するとともに、カソード排出管（４２）を通して前記酸化剤反応物流れ（１６Ａ）をカソード排出流として該カソード流れ場（３６）から排出するように案内する、少なくとも一つの燃料セル（２０）と、
   ｂ．密閉された冷却剤流れ場（４４）であって、前記アノード流れ場（２８）および前記カソード流れ場（３６）の一つと熱交換関係に取り付けられて、冷却流体を、冷却剤ループ（４８）の冷却剤入口（４６）から前記冷却剤流れ場（４４）を通して案内するとともに、該冷却剤ループ（４８）の冷却剤出口（５０）を通して案内し、前記冷却剤ループ（４８）が、前記冷却剤流れ場（４４）内の前記冷却流体の温度を調節するように構成された、密閉された冷却剤流れ場（４４）と、
   ｃ．少なくとも一つの貯水器（１８Ａ，１８Ｂ）であって、前記アノード流れ場（２８）および前記カソード流れ場（３６）のうち少なくとも一つと流体連通するように取り付けられるとともに、前記密閉された冷却剤流れ場（４４）から流体的に分離されるように取付けられて、水を前記貯水器（１８Ａ，１８Ｂ）から、前記アノード流れ場および前記カソード流れ場（２８，３６）の少なくとも一つにある前記反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）へと移動させ、かつ、水（１４）を前記アノード流れ場および前記カソード流れ場（２８，３６）の少なくとも一つにある前記反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）から、該少なくとも一つの貯水器（１８Ａ，１８Ｂ）へと移動させるように構成された、少なくとも一つの貯水器（１８Ａ，１８Ｂ）と、
   ｄ．相対湿度コントローラ（６２）であって、前記燃料セル（２０）によって発生する電力が該燃料セル（２０）の所定の最大電力出力の約８０％〜約１００％の間である場合は常に、水（１４）を前記貯水器（１８Ａ，１８Ｂ）から前記反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）へと移動させ、かつ、前記燃料セル（２０）によって発生する電力が該燃料セル（２０）の所定の最大電力出力の約７５％を下回る場合は常に、水（１４）を前記反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）から前記貯水器（１８Ａ，１８Ｂ）へと移動させるべく、前記反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）の圧力と、前記反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）の流量と、前記密閉された冷却剤流れ場（４４）の前記冷却流体の温度と、のうち少なくとも一つを選択的に制御するために、前記燃料電池発電装置（１２）と連通するように取り付けられた相対湿度コントローラ（６２）と、
   を備えた制御装置（１０）。
2. 相対湿度センサ（６０）手段であって、前記アノード流れ場（２８）および前記カソード流れ場（３６）のうちの少なくとも一つを通流する前記反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）と連通するように取り付けられるとともに、感知した前記反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）の相対湿度に関する情報を前記相対湿度コントローラ（６２）に伝達するように、該相対湿度コントローラ（６２）と連通するように取り付けられた、相対湿度センサ（６０）手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の制御装置（１０）。
3. 前記相対湿度センサ（６０）手段が、前記カソード排出管（４２）と連通するように取り付けられることを特徴とする請求項２に記載の制御装置（１０）。
4. 前記相対湿度コントローラ（６２）が、前記燃料入口管（３０）に取り付けられた燃料入口弁（６８）と、前記酸化剤入口管（４０）に取り付けられた酸化剤入口弁（７２）と、前記酸化剤入口管（４０）に取り付けられた酸化剤ブロワ（７６）と、前記アノード排出管（３４）に取り付けられたアノード排出弁（８６）と、前記カソード排出管（４２）に取り付けられたカソード排出弁（８２）と、前記冷却剤ループ（４８）と、のうち少なくとも一つと連通するように取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の制御装置（１０）。
5. 前記貯水器（１８Ａ，１８Ｂ）が、前記膜電極アセンブリ（２２）の前記カソード触媒面（２６）と流体連通するように取り付けられたカソード多孔質体（９２）と、前記膜電極アセンブリ（２２）の前記アノード触媒面（２４）と流体連通するように取り付けられたアノード多孔質体（９０）と、のうち少なくとも一つに画定された複数の細孔をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の制御装置（１０）。
6. 前記貯水器（１８Ａ，１８Ｂ）は、前記燃料セル（２０）の電力出力が該燃料セル（２０）の所定の最大電力出力の約８０％〜約１００％の間にある所定の継続時間の間、前記反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）の前記相対湿度を約１．００に維持するように十分な体積の水（１４）を保持する大きさにされた、水保持容積を画定することを特徴とする請求項１に記載の制御装置（１０）。
7. 前記貯水器（１８Ａ，１８Ｂ）は、前記燃料セル（２０）の電力出力が該燃料セル（２０）の所定の最大電力出力の約８０％〜約１００％の間にある前記所定の継続時間が、５分であるときは常に、前記反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）の前記相対湿度を約１．００に維持するように適切な水保持容積を画定することを特徴とする請求項６に記載の制御装置（１０）。
8. 燃料セル（２０）を通流する反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）の相対湿度量を制御するための、請求項１に記載の密閉された冷却剤流れ場を備えた燃料電池発電装置（１２）の運転方法であって、
   ａ．アノード流れ場（２８）およびカソード流れ場（３６）の少なくとも一つの反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）の圧力と、アノード流れ場（２８）およびカソード流れ場（３６）の少なくとも一つを通流する反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）の流量と、密閉された冷却剤流れ場（４４）を通流する冷却流体の温度と、密閉された冷却剤流れ場（４４）を通流する冷却流体の流量と、のうち少なくとも一つを制御し、それにより、
   ｂ．燃料セル（２０）によって発生する電力が該燃料セル（２０）の最大電力出力の約８０％〜約１００％の間である場合は常に、水（１４）を貯水器（１８Ａ，１８Ｂ）から反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）へと移動させ、かつ、燃料セル（２０）によって発生する電力が該燃料セル（２０）の最大電力出力の約７５％を下回る場合は常に、水（１４）を反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）から貯水器（１８Ａ，１８Ｂ）へと移動させる、
   ことを備えた燃料電池発電装置（１２）の運転方法。
9. 前記燃料セル（２０）の電力出力が該燃料セル（２０）の所定の最大電力出力の約８０％〜約１００％の間にある所定の継続時間の間、前記反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）の前記相対湿度を約１．００に維持するように、前記貯水器（１８Ａ，１８Ｂ）内に適切な体積の水（１４）を保持することをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の運転方法。
10. 前記反応物流れ（１６Ａ，１６Ｂ）から貯水器（１８Ａ，１８Ｂ）へと水（１４）を移動させるように制御することが、膜電極アセンブリ（２２）のカソード触媒面（２６）と流体連通するように取り付けられたカソード多孔質体（９２）と、前記膜電極アセンブリ（２２）のアノード触媒面（２４）と流体連通するように取り付けられたアノード多孔質体（９０）と、のうち少なくとも一つに画定された複数の細孔へと水を移動させるように制御することを備えることを特徴とする請求項８に記載の運転方法。

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