JP2015535131A - 燃料電池の加湿を管理する方法およびシステム - Google Patents

燃料電池の加湿を管理する方法およびシステム Download PDF

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Abstract

燃料電池電力システムの加湿を管理する方法であって、燃料電池のカソード入口ストリームに空気を供給すること、カソード入口ストリームの湿度に関連する燃料電池パラメーターを検出すること、燃料電池パラメーターに基づいて、活性な加湿モードまたは不活性な加湿モードのいずれかで燃料電池を選択的に作動させることを含み、ここで活性な加湿モードは、カソード入口ストリームに水を添加することを含み、不活性な加湿モードは、カソード入口ストリームに水を添加しないことを含む、上記方法。【選択図】図３

Description

[001]本特許出願は、合衆国法典第３５巻第１２０条に基づき、その全体が参照により本明細書に組み入れられる２０１２年１１月１日付けで出願された米国仮出願第６１／７２１，２６５号の優先権の利益を主張する。
[002]本発明の開示は、燃料電池のための加湿の管理を対象とし、より特定には電力システムに使用される燃料電池の加湿の管理を対象とする。
[003]燃料電池は、化学反応から電流を発生させるの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、従来の電源の有望な代替物を提供する。燃料電池は、燃料（例えば水素、天然ガス、メタノール、ガソリンなど）の化学エネルギー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、および水を生産する。基礎的な燃料電池は、負電荷を有するアノード、正電荷を有するカソード、および電解質と呼ばれるイオン伝導性材料を含む。
[004]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イオン伝導膜を利用する。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。
[005]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れ、直流電流が生産される。この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できる。
[006]プロトンが電解質を介して通過した後、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で示されるように、水および熱が生産される。
[007]１つの燃料電池は、作動中、一般的には約１ボルトを生産できる。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。各セルがカソード、電解質膜、およびアノードを包含する燃料電池を、連続して一緒にスタックする。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、これは通常、バイポーラプレートの両面上に支持される。プレート中に形成されたチャネルまたは溝（これは、流れ場として知られている）を介してＭＥＡの電極にガス（水素および空気）が供給される。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、機械的な支持を提供することに加えて、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、チャネルを介してそれぞれの電極表面に燃料と酸化剤とを供給し、さらに燃料電池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、さらなる反応を容易に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できる。
[008]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性膜は、膜の伝導を容易にするために所定レベル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、プロトン伝導率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。
[009]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。カソード入口の空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。自動車用途で使用される燃料電池における出力電力需要は、路面状況とドライバーの要求に応じて迅速に変化する可能性がある。残念なことに、部分負荷条件または最大値未満の出力条件下では、加湿は、寄生動力の損失の結果として効率を低下させる。しばしばＰＥＭ燃料電池は、最大値未満の出力電力で、または部分負荷条件下で作動する。それゆえに、効率的な加湿の管理方法が求められている。
[010]上述の環境を考慮して、本発明の開示は、燃料電池電力システムの加湿を管理する方法およびシステムを提供する。
[011]本発明の開示の一形態は、燃料電池電力システムの加湿を管理する方法を対象とし、本方法は、燃料電池のカソード入口ストリームに空気を供給すること；カソード入口ストリームの湿度に関連する燃料電池パラメーターを検出すること；および燃料電池パラメーターに基づいて、活性な加湿モードまたは不活性な加湿モードのいずれかで燃料電池を選択的に作動させることを含み、ここで活性な加湿モードは、カソード入口ストリームに水を添加することを包含し、不活性な加湿モードは、カソード入口ストリームに水を添加しないことを包含する。
[012]本発明の開示の他の形態は、燃料電池の加湿を管理するシステムであって、燃料電池に空気が供給されるように設計された空気供給管；空気供給管に水のフローが供給されるように設計された加湿デバイス；および燃料電池パラメーターを検出して、燃料電池パラメーターに基づいて加湿デバイスの活性化のみを行うか、または不活性化のみを行うように設計された制御器を含む上記システムを対象とする。
[013]本発明の開示の他の形態は、加湿を管理するシステムを有する燃料電池であって、空気供給部；カソード、アノード、および電解質を含む燃料電池；ならびに少なくとも１つの燃料電池パラメーターおよび燃料電池パラメーターの閾値に基づき、活性な加湿モードと不活性な加湿モードとが切り替わるように設計された、２値制御によって作動する加湿デバイスを含み、ここで加湿デバイスは、活性な加湿モードのときに、空気供給部により生成されカソードに供給されるカソード入口ストリームを加湿するように設計されている、上記燃料電池を対象とする。
[014]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。
[015]添付の図面は、本明細書に取り入れられ本明細書の一部を構成するが、これらは本発明の開示の実施態様を例示し、説明と共に本開示の原理を説明するのに役立つ。
図１は、典型的な実施態様に係る燃料電池電力システムの一部の概略図である。 図２は、典型的な実施態様に係る周囲温度と燃料電池出力との関係を例示するグラフである。 図３は、典型的な実施態様に係る加湿を管理する方法を例示する流れ図である。 図４は、典型的な実施態様に係る燃料電池電力システムの一部の概略図である。 図５は、典型的な実施態様に係る燃料電池電力システムの一部の概略図である。 図６は、典型的な実施態様に係る燃料電池電力システムの一部の概略図である。 図７は、典型的な実施態様に係る燃料電池電力システムの一部の概略図である。
[023]ここで本開示に記載の発明の典型的な実施態様を詳細に述べ、その実施例を添付の図面に例示する。可能な限り、同じまたは類似の部品を指す場合は、図面全体にわたり同じ参照番号を使用するものとする。
[024]以下、例えば自動車用ＰＥＭ燃料電池のための加湿システムなどの特定の用途に向けた例示的な実施態様を参照しながら、本発明の開示を説明する。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。当業界において通常の技術を有し本明細書で示された教示を利用する者であれば、追加の改変、要素、実施態様、および均等物での置換がすべて本発明の開示の範囲内に含まれることを認識するだろう。例えば、本明細書で説明される原理は、あらゆる好適な用途（例えば、自動車、携帯、工業用の固定電源、バックアップ電源またはモバイルデバイス用燃料電池用途）のためのあらゆる好適なＰＥＭ燃料電池に使用できる。したがって、本発明の開示は、前述のまたは以下の説明に限定されない。
[025]図１は、典型的な実施態様に係る電力システム１００の概略図である。電力システム１００は、燃料電池１１０、空気供給部１２０、加湿デバイス１３０、燃料１４０、および電気回路１５０を含んでいてもよい。燃料１４０は、水素、一酸化炭素、メタノール、またはメタンのような希薄な軽質炭化水素などの様々な燃料を含んでいてもよい。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を含んでいてもよい。燃料１４０は、燃料電池１１０に流体連結されていてもよく、燃料１４０は、アノード１１１に供給されてもよく、そこで燃料１４０の原子が、電気化学的に電子とプロトンに分けられる。電子は、電気回路１５０を通ってカソード１１２に流れ、このプロセス中に電気を生成し、その一方でプロトンは、ＰＥＭ１１３を通ってカソード１１２に移動する。カソード１１２で、プロトンは電子と結合し、空気供給部１２０から提供された酸素と反応して、水および熱が生産される。
[026]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出願公開第２０１１／０２２３５１４号で説明される。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し、実際に燃料電池１１０は、ＰＥＭ１１３を自己加湿できる。適切に加湿されたＰＥＭ１１３は、効率的に作動してイオンを移動させるのに十分な伝導率を提供できる。ＰＥＭ１１３の加湿が適切な加湿を下回る場合、電気化学反応が妨げられて生産される電気量が少なくなると予想される。ＰＥＭ１１３が適切に加湿されないと、乾固して損傷を受けるようになる可能性がある。加えて、ＰＥＭ１１３における水分が過剰の場合も問題を起こす可能性がある。
[027]カソード１１２で生産された過量の水は、燃料電池１１０からカソード出口ストリーム１６０を経由して除去できる。空気供給１２０は、カソード入口ストリーム１７０を経由してカソードに供給できる。カソード入口ストリーム１７０は、カソード１１２に向かう途中で加湿デバイス１３０を通過できる。加えて、アノード１１１で未使用の燃料１４０は、燃料電池１１０からアノード出口ストリーム１８０を経由して排出できる。未使用の燃料１４０を再利用して、全体的な電力システム効率を増加させることができる。
[028]燃料電池１１０が所定の用途を維持するのに十分な電力を生成できない場合、燃料電池１１０を複数の燃料電池とスタックして（示さず）、燃料電池スタックを形成することもできる。
[029]空気供給部１２０は、１つまたはそれより多くの空気圧縮機を包含していてもよい。空気供給部１２０は、空気圧および燃料電池１１０に移動する空気流を調節して、損傷を制限したりまたは防いだりすることができる。空気供給部１２０は、例えば往復スクリュー、回転式スクリューなどのあらゆる好適な数またはタイプの空気圧縮機を一段階または多段階で包含していてもよい。いくつかの実施態様において、空気供給部１２０は、電力システム１００の外部の源からの空気を受け取り圧縮することもできる。例えば、空気供給部１２０は、空気供給部１２０に空気が送達されるように設計された反応物源（示さず）に連結されていてもよいし、または周囲の環境から空気を引き込んでもよい。いくつかの実施態様において（示さず）、空気が電力システム１００に再送達されるように、空気供給部１２０は、カソード１１２からカソード出口ストリーム１６０を経由して排出された空気が再利用されるように設計されていてもよい。
[030]いくつかの実施態様において、空気供給部１２０により空気が引き出される源は、１つまたはそれより多くの要因、例えばアベイラビリティ、温度、圧力、または湿度に従って変更されてもよい。空気供給部１２０用の源を変更することにより、カソード１１２に供給される空気の変更が可能になる。いくつかの実施態様において、空気供給部１２０は、これらの源の１つまたはそれより多くから空気を受け取るように設計されていてもよい。空気供給部１２０は、燃料電池１１０周辺の環境から周囲空気を受け取ることができる。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。
[031]加湿デバイス１３０は、空気供給部１２０とカソード１１２入口との間で、カソード入口ストリーム１７０に流体連結されていてもよい。加湿デバイス１３０は、２つのモードのどちらか一方のみで作動するように設計でき、ここで１つのモードは活性であり、もう１つのモードは不活性である（すなわちオンまたはオフである）。活性な加湿モードで作動させる場合、加湿デバイス１３０は、カソード入口ストリーム１７０に水を添加して、カソード１１２に供給される空気の湿度を高めるように設計できる。活性な加湿モードで作動させる場合、加湿デバイス１３０は、カソード１１２の入口の温度で評価した場合、約４９％より大きいカソード入口ストリーム１７０の相対湿度が達成されるように、水の流量を高めることができる。様々な実施態様において、約４９％の相対湿度は、±１％、±２％、±５％、または±１０％の範囲で変動してもよい。不活性な加湿モードで作動させる場合、加湿デバイス１３０は、カソード入口ストリーム１７０に水をわずかしか添加しないかまたは全く添加しないように設計できる。加湿デバイス１３０は、電気回路１５０または他の代替電源で稼働できる。
[032]様々な実施態様において、活性な加湿モードと不活性な加湿モードとで加湿デバイス１３０を切り換えるために、２値制御を使用してもよい。２値制御下で、加湿デバイス１３０は、活性な加湿モードで作動させる場合、約１００％の流量の供給のみがされるように設計できる。不活性な加湿モードで作動している間、加湿デバイス１３０は、約０％の流量の供給のみがされるように設計できる。それゆえに、２値制御は、加湿デバイス１３０が約０％のフロー（不活性モード）または約１００％のフロー（活性モード）のいずれかのみを供給するように設計できる。活性な加湿モードで作動する間、フローは、実質的に約１００％の流量で維持される。不活性な加湿モードで作動する間、フローは、実質的に約０％の流量で維持される。
[033]代替の実施態様において（示さず）、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させて、単一のデバイスにすることができる。統合された加湿は、燃料電池または燃料電池スタックに組み立てられた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けることができる。加湿ゾーンは、冷却水を膜に透過させて、隣接するゾーン中のガスを加湿することが可能な親水性膜を包含していてもよい。加湿を活性化および不活性化することは、冷却水を制御することを含んでいてもよい。統合された加湿は、互いに連結するハードウェアの間の間隔の必要性とその量を小さくすることができる。加えて、統合された制御器は、燃料電池パラメーターを検出して、燃料電池パラメーターに基づいて加湿モードを制御するように設計できる。
[034]上記で説明したように、燃料電池１１０内で数種の反応が起こる。カソード１１２でプロトンと電子が結合し、次いで酸素と反応することにより、水および熱が生産される。生産された熱は、様々なメカニズムによって燃料電池１１０から除去できる。例えば、燃料電池は、冷却剤流体を流動させることにより、燃料電池から熱を除去して熱を外部に追い出す冷却剤用チャネルを包含していてもよい。加えて熱交換器１９０は、生成した過量の熱を追い出すのに使用できる。熱交換器１９０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１９０は、生成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１９０に伝達し、そこで熱を追い出すことができる配置が挙げられる。
[035]燃料電池１１０の作動温度は、周囲温度、燃料電池の出力、燃料電池の構造、および熱交換器１９０の設計などの数種の要因によって決まる可能性がある。例えば、周囲温度が高い場合、熱交換器１９０が周囲の環境から所定量の熱を受け入れないように、燃料電池１１０の温度はそれに応じてより高くなる。対照的に、周囲温度が低い場合、熱交換器１９０が周囲の環境に所定量の熱を移動させないように、燃料電池１１０の温度はそれに応じてより低くなる。周囲温度の変化は、典型的には、気候の性質によって徐々に起こる。
[036]電気回路１５０を介した燃料電池１１０からの出力の量は、燃料電池１１０の作動温度に影響を与える可能性がある。例えば、より多くの電力は、アノードおよびカソード反応の増加を必要とすることから、熱の発生を増加させる。典型的には徐々に起こる周囲温度の変化とは異なり、出力の変化は迅速に起こる可能性がある。例えば、車両の速度を繰り返して上げたり下げたりする必要がある道路を車両が走る場合、車両を動かす燃料電池は、必要な出力を迅速に変化させることが求められる場合がある。対照的に、一般道で一定の速度で走行する車両は、燃料電池からの出力を実質的に変化させることはないと予想される。
[037]通常の動作条件下の電力システム１００は、選択された不活性な加湿モードで作動させてもよく、これはなぜなら、寄生動力の損失のために通常の動作条件下でカソード入口ストリーム１７０を加湿することが不必要であり且つ非効率的であるためである。しかしながら、燃料電池１１０の場合、例えば周囲温度または出力のいずれかが十分なレベルに上昇すると通常の動作条件を超える可能性がある。通常の動作条件を超えると、燃料電池１１０の作動パラメーターが変化する可能性がある。例えば、熱交換器１９０はもはや熱が生成する速度で熱を除去できなくなるために、燃料電池１１０の作動温度は増加する可能性がある。熱交換器１９０のサイズを大きくしてもよいが、対象の車両または電力システムに効果的にパッケージングするのに熱交換器１９０のサイズが不適合になる場合がある。
[038]燃料電池１１０を作動させるための目標温度は、燃料電池１１０の構造、設計、および用途（すなわち、構造材料、流れ場の設計など）、熱交換器１９０のサイズ／性能、および燃料電池１１０の性能を考慮して計算が可能である。目標温度は、カソード出口ストリーム１６０を介して失われた水蒸気の割合が燃料電池の反応によって生成した水の割合より大きいために、カソード１１２で生成した水によるＰＥＭ１１３の自己加湿がもはやＰＥＭ１１３を適切に加湿できなくなる温度閾値を意味する場合がある。
[039]燃料電池１１０の温度閾値未満を維持するために熱交換器１９０のサイズを大きくする代わりに、活性な加湿モードを選択することにより燃料電池１１０を、温度閾値で、またはそれを超える温度で作動させることもできる。活性な加湿モードは、カソード１１２およびＰＥＭ１１３に追加の湿度を提供できる。活性な加湿モードが選択される場合、追加の湿度は、カソード入口ストリーム１７０によって提供できる。温度閾値より高い温度で作動させることにより、燃料電池１１０をより高い周囲温度条件で作動させることに加えて、燃料電池１１０により多くの電力を出力させることを可能にする。燃料電池１１０の作動温度は、典型的には約６０〜約９５セルシウス度の範囲である。燃料電池作動中の周囲温度は、約−４０〜約６０セルシウス度の範囲内であり得る。
[040]図２は、典型的な実施態様に係る燃料電池１１０に関する、周囲温度と、燃料電池の出力と、燃料電池の作動温度との関係を例示するグラフである。燃料電池１１０の設計に基づいて、所定の出力および所定の周囲温度において、作動ポイントをグラフにプロットできる。作動ポイントは、燃料電池１１０にとって期待される作動温度に相当する場合がある。
[041]温度閾値２１０も例示できる。温度閾値２１０から右側の領域は、活性な加湿モードを選択することがより効率的な可能性がある作動ポイントを表す。温度閾値２１０から左側の領域は、不活性な加湿モードを選択することがより効率的な可能性がある作動ポイントを表す可能性がある。図２は、より低い出力で、温度閾値２１０より低い状態を保ちつつより高い周囲温度が許容できることを例示する。加えて、より低い周囲温度で、温度閾値２１０より低い状態を保ちつつより高い出力が許容できる。
[042]燃料電池１１０がポイントＡで作動する場合、周囲温度は比較的高い可能性があるが、出力は比較的低い可能性がある。その作動ポイントにおいて、燃料電池１１０作動温度は、温度閾値２１０より約５セルシウス度低くてもよい。例えば、燃料電池１１０による出力が増加する場合、燃料電池１１０の作動ポイントは、ポイントＡからポイントＢに移動する可能性がある。ポイントＡからのポイントＢへの移動は、燃料電池１１０の作動温度が増加して温度閾値２１０を超えることを引き起こすと予想される。上記で説明したように、作動温度が温度閾値２１０に達してそれを超えると、ＰＥＭ１１３の自己加湿はもはや十分でなくなる。しかしながら、活性な加湿モードを選択することが可能であり、燃料電池１１０の許容できる作動温度が増加することから、ポイントＢでの燃料電池１１０の作動を可能にする。
[043]追加の例において、ポイントＤでは、燃料電池の電流の作動温度は、温度閾値２１０を超えていてもよい。活性な加湿モードを選択することは、電力システム１００の効率に有益な可能性がある。出力は実質的に一定を保ちながら周囲温度が低下する場合、燃料電池１１０の作動ポイントは、ポイントＤからポイントＣに移動する可能性がある。ポイントＤからポイントＣへの移動は、燃料電池１１０の作動温度を温度閾値２１０より低くすることから、不活性な加湿モードがより効率的になると予想される。この例において、ＰＥＭ１１３の自己加湿が十分であり、加湿デバイス１３０を継続して作動させると寄生動力の損失を起こす可能性があるという理由で、ポイントＤからポイントＣへの移動の際の不活性な加湿モードの選択が非効率になる場合もある。
[044]他の例において、ポイントＥで、作動温度が温度閾値２１０より低いために不活性な加湿モードが選択される可能性がある。周囲温度が低下して出力が増加する場合、燃料電池１１０の作動状況は、ポイントＥからポイントＦに移動する可能性がある。出力が増加していても、出力の増加を周囲温度の低下で相殺することにより燃料電池１１０の作動温度に変化が起こらないため、加湿モードを不活性のままにすることもできる。
[045]通常作動中の時間の大半で、燃料電池１１０の作動ポイントは、温度閾値２１０より低い可能性がある。それゆえに、選択される加湿モードの時間の大半が不活性であってもよい。加湿デバイス１３０が不活性化されていると、寄生動力の損失を少なくしたり、またはそのような損失をなくしたりすることができるために、不活性な加湿モードは有益である。それに対して、加湿デバイス１３０が連続的に、または相当な長さの時間にわたり活性のままの場合、部分負荷条件（すなわち、温度閾値２１０より低い条件）のために電力システム１００の効率が低下する。
[046]図３は、様々な実施態様に係る燃料電池電力システム１００のための加湿を管理する方法のフローチャート３００を示す。工程Ｓ１において、電力システム１００の現状における作動状況の評価を行うことができる。現状における作動状況を評価することは、燃料電池パラメーターを検出することを含んでいてもよく、ここで燃料電池パラメーターは、燃料電池の温度、燃料電池の冷却剤の温度、燃料電池のカソード出口ストリームの温度、燃料電池の出力、燃料電池の負荷、カソード出口ストリームの湿度、燃料電池の抵抗、または周囲温度であってもよい。燃料電池パラメーターの閾値は、燃料電池パラメーターのどれに関して確立してもよい。
[047]工程Ｓ１を完了させた後、次の工程Ｓ２は、工程Ｓ１で検出された燃料電池パラメーターが、その時点で、対応するパラメーターに関する燃料電池パラメーターの閾値より高いかまたは低いかかどうかを決定することを含む。これは、例えば、その時点の燃料電池１１０の温度を温度閾値２１０と比較することを包含していてもよい。
[048]検出された燃料電池パラメーターが対応する燃料電池パラメーターの閾値より高い場合、工程Ｓ３は、活性な加湿モードを選択することを包含していてもよい。活性な加湿モードを選択することは、加湿デバイス１３０がまだ活性ではない場合、加湿デバイス１３０を活性化することを含んでいてもよい。検出された燃料電池パラメーターが対応する燃料電池パラメーターの閾値より低い場合、工程Ｓ４は、不活性な加湿モードを選択することを包含していてもよい。不活性な加湿モードを選択することは、加湿デバイス１３０がその時点で活性である場合、加湿デバイス１３０を不活性化することを含んでいてもよい。工程Ｓ３またはＳ４のいずれかが完了したら、フローチャートは工程Ｓ５に進んでもよく、この工程Ｓ５は、フローチャートのスタートに戻ることを含み、したがって工程を繰り返すことが可能である。
[049]工程Ｓ１〜Ｓ５が繰り返される速度は調節できる。例えば、より優れた効率が望ましい場合、工程Ｓ１〜Ｓ５のサイクル速度を高くして、活性な加湿モードが有益ではないときに活性な加湿モードが選択される時間を最小化してもよい。例えば、これらの工程が６０秒ごとに繰り返される場合、温度閾値２１０未満に低下した時点の６０秒以内に不活性な加湿モードが選択されると予想される。それに対して、これらの工程が１秒ごとに繰り返される場合、温度閾値２１０未満に低下した時点の１秒以内に不活性な加湿モードが選択されると予想される。チャタリング（すなわち、活性な加湿モードと不活性な加湿モードとの間でサイクルが繰り返されること）を制限するために、閾値より上および下のデッドバンドを設けてもよいし、または工程Ｓ１〜Ｓ５のサイクル速度を遅くしてもよい。また交互制御アルゴリズムを選択して、比例フィードバック、比例−積分フィードバック、比例−積分−微分フィードバック、加えてモデルベースまたはフィードフォワード配置などの迅速で安定な制御された機能性を確実にすることもできる。
[050]代替の実施態様において、電力システム１００に関して活性または不活性な加湿モードを選択することは、カソード出口ストリーム１６０の湿度に基づいていてもよい。カソード出口ストリーム１６０の湿度は、ＰＥＭ１１３の自己加湿レベルと相関する可能性がある。例えば、カソード出口ストリーム１６０からの湿度が高いという測定値は、十分なＰＥＭ１１３の自己加湿の指標となり得る。それに対して、カソード出口ストリーム１６０からの湿度が低いかまたはほぼゼロであるという測定値は、不十分なＰＥＭ１１３の自己加湿の指標となり得る。それゆえに、カソード出口ストリーム１６０の湿度の湿度閾値は計算が可能である。湿度閾値は、ＰＥＭ１１３の自己加湿がもはや十分ではなくなるカソード出口ストリーム１６０の湿度レベルの指標となり得る。温度に基づき制御するのと同様に、湿度閾値に達した場合、カソード入口ストリーム１７０を加湿することによりＰＥＭ１１３に追加の湿度を供給するために、活性な加湿モードが選択される可能性がある。
[051]他の実施態様において、電力システム１００に関して活性または不活性な加湿モードを選択することは、セル抵抗の測定に基づいていてもよい。燃料電池１１０のセル抵抗は、ＰＥＭ１１３の自己加湿レベルと相関する可能性がある。例えば、ＰＥＭ１１３が十分に水分添加されている場合、自己加湿が十分であるために、ＰＥＭ１１３の伝導率は最適であり、セル抵抗は最小である。それに対して、ＰＥＭ１１３が完全に水分添加されていない場合、ＰＥＭ１１３の自己加湿が十分ではないために、ＰＥＭ１１３の伝導率は低下しセル抵抗は増加すると予想される。それゆえに、燃料電池１１０に関するセル抵抗の閾値は計算が可能である。抵抗の閾値は、ＰＥＭ１１３の自己加湿がもはや十分ではなくなるセル抵抗を意味する場合がある。湿度および温度に基づき制御するのと同様に、抵抗の閾値に達した場合、カソード入口ストリーム１７０を加湿することによりＰＥＭ１１３に追加の湿度を供給するために活性な加湿モードが選択される可能性がある。追加の湿度でＰＥＭ１１３を完全に飽和させてもよく、それによりＰＥＭ１１３は、伝導率を維持してセル抵抗の増加を抑えることが可能になる。
[052]様々な実施態様において、加湿の管理は、温度閾値、湿度閾値、およびセル抵抗の閾値の組み合わせに基づいて、活性または不活性な加湿モードを選択することを含んでいてもよい。例えば、活性な加湿モードを選択することは、セル抵抗の閾値を超えるセル抵抗に基づいていてもよいし、不活性な加湿モードを選択することは、燃料電池の温度未満に低下した燃料電池の作動温度に基づいていてもよい。加えて、燃料電池の冷却剤の温度、燃料電池のカソード出口ストリームの温度、燃料電池の出力、燃料電池の負荷、または周囲温度に基づく閾値は、加湿の管理に利用できる。効率を最大化するために、閾値を様々な組み合わせで利用できる。
[053]燃料電池パラメーターの閾値は、様々な方法で計算が可能である。例えば、燃料電池１１０または電力システム１００ごとに較正プロセスを行って、パラメーターごとの閾値を決定してもよい。較正プロセスは、燃料電池１１０の最初のスタートアップ時に一回行うだけでもよいし、または電力システム１００の構成要素における何らかの劣化に対して確実に補正をするために様々な頻度で繰り返して行ってもよい。加えて、燃料電池１１０の設計に基づいて閾値を計算する方程式を開発してもよい。このような方程式を使用して、周囲温度および燃料電池１００の出力を考慮に入れたルックアップ表を作成してもよい。最後に、実験的な作動データに基づいて閾値を計算でき、このようなデータは最初のテスト／スタートアップ中に収集してもよいし、または作動中に連続的に行ってもよい。
[054]活性な加湿モードが選択されているときの加湿デバイス１３０によるカソード入口ストリーム１７０の加湿は、様々な方法で達成できる。以下の実施態様は、様々な実施態様に係る加湿デバイス１３０の様々な立体配置を含む。
[055]図４は、典型的な実施態様に係る電力システム４００の概略図である。図１で示されるように、電力システム４００は、燃料電池４１０、空気供給部４２０、加湿デバイス４３０、燃料４４０、電気回路４５０、および熱交換器４９０を含んでいてもよい。加湿デバイス４３０は、コンデンサー４３１、ポンプ４３２、およびノズル４３３を含んでいてもよい。図１で論じたように、カソード４１２で生産された水は、燃料電池４１０からカソード出口ストリーム４６０を経由して除去されてもよい。カソード出口ストリーム４６０が、コンデンサー４３１に供給されてもよい。コンデンサー４３１は、カソード出口ストリーム４６０中の水蒸気を凝縮させて液体にすることができる。コンデンサー４３１中の液体は、コンデンサー４３１から引き出されてもよいし、またはポンプ４３２に供給されてもよい。ポンプ４３２は、凝縮水をコンデンサー４３１からノズル４３３を介してカソード入口ストリーム４７０にポンプ輸送できる。ポンプ４３２は、遠心ポンプ、膜ポンプ、定量ポンプ、回転式ローブ、プログレッシブキャビティ、または等価なものであってもよい。２値制御を有する様々な実施態様に関して、ポンプは、オンまたはオフ制御しかないモータースターターで稼働できる。ポンプ４３２は、オンの間、実質的に一定の流量で水をポンプ輸送できる。ポンプ４３２は、電気回路４５０または他の電源で稼働できる。
[056]ノズル４３３は、コンデンサー４３１からカソード入口ストリーム４７０にポンプ輸送された凝縮水の混合を容易にすることができる。ノズル４３３を介してポンプ輸送された凝縮水を、空気供給部４２０からの空気と混合して、その後、カソード４１２にポンプ輸送する。その結果得られた、カソード４１２に供給される混合物は、空気供給部４２０のレベルより高いレベルの湿度を有する。
[057]活性または不活性な加湿モードを選択することは、加湿デバイス４３０を活性化または不活性化することを含んでいてもよく、この活性化または不活性化としては、ポンプ４３２およびコンデンサー４３１を活性化または不活性化することが挙げられる。ポンプ４３２およびコンデンサー４３１により不活性化される場合、水は、コンデンサー４３１からノズル４３３を介してカソード入口ストリームにポンプ輸送されない。それゆえに、水がポンプ輸送されない場合、カソード入口ストリーム４７０の湿度が、空気供給部４２０の湿度と実質的に等しい可能性がある。
[058]図５は、典型的な実施態様に係る電力システム５００の概略図である。図１および図４で示されるように、電力システム５００は、燃料電池５１０、空気供給部５２０、加湿デバイス５３０、燃料５４０、電気回路５５０、および熱交換器５９０を含んでいてもよい。加湿デバイス５３０は、エンタルピーホイール５３１を含んでいてもよい。エンタルピーホイール５３１は、空気透過性材料で作製された回転シリンダーで構成されていてもよい。例えば、エンタルピーホイール５３１は、セラミック製のハニカム材料で構築されていてもよい。この材料は、乾燥剤のコーティングを有していてもよく、乾燥剤のコーティングは水分を吸収してその水分を１つのストリームから別のストリームに移す能力を高めることができる。エンタルピーホイール５３１は、カソード入口ストリーム５７０およびカソード出口ストリーム５６０間で回転できる。エンタルピーホイール５３１の回転は、一定速度でなされていてもよい。回転させることにより、エンタルピーホイール５３１によって、カソード出口ストリーム５６０で排気された水分を吸収してその水分をカソード入口ストリーム５７０に移すことが可能になる。
[059]活性または不活性な加湿モードを選択することは、加湿デバイス５３１を活性化または不活性化することを含んでいてもよく、この活性化または不活性化としては、エンタルピーホイール５３１を活性化または不活性化することが挙げられる。エンタルピーホイール５３１が不活性化される場合、ホイールは回転せず、水分はカソード出口ストリーム５６０からカソード入口ストリーム５７０に移されないと予想される。
[060]代替の実施態様において（示さず）、不活性な加湿モードが選択されており加湿デバイス５３０が不活性である場合、カソード出口ストリーム５６０は、エンタルピーホイール５３０を迂回していてもよい。加湿デバイス５３０は、バルブ（示さず）によってカソード出口ストリーム５６０および／またはカソード入口ストリーム５７０がエンタルピーホイール３３０を迂回するように設計できる。
[061]図６は、典型的な実施態様に係る電力システム６００の概略図である。図１、４、および５で示されるように、電力システム６００は、燃料電池６１０、空気供給部６２０、加湿デバイス６３０、燃料６４０、電気回路６５０、および熱交換器６９０を含んでいてもよい。加湿デバイス６３０は、加湿器６３１およびバルブ６３２を含んでいてもよい。加湿器６３１は、水蒸気を移動させる方式の加湿器を含んでいてもよい。例えば、加湿器６３１は、平面または管状の膜を有する交換加湿器を含んでいてもよい。加湿器６３１は、空気供給部６２０からのフローをバルブ６３２を経由して受け取ることができる。バルブ６３２から受け取ったフローは加湿器６３１を通過して、次いでカソード入口ストリーム６７０を経由して燃料電池６１０に送られてもよい。カソード出口ストリーム６６０は、カソード反応によって形成された水分を有する燃料電池６１０を出て、その水分を加湿器６３１に供給することができる。加湿器６３１内で、カソード出口ストリーム６６０からの水分はカソード入口ストリーム６７０に移される。
[062]バルブ６３２は、空気供給部６２０のフローが加湿器６３１を迂回して、カソード入口ストリーム６７０に空気供給部６２０から直接供給されるように設計できる。バルブ６３２は、三方弁、または一緒に連結された、もしくは組み合わせで働くバルブの組み合わせを含んでいてもよい。２値制御を有する様々な実施態様の場合、バルブ６３２またはバルブの組み合わせは、２つの状況のバルブ、すなわちオン／オープンまたはオフ／クローズドのバルブを含んでいてもよい。
[063]図７は、典型的な実施態様に係る電力システム７００の概略図である。図１、４〜６で示されるように、電力システム７００は、燃料電池７１０、空気供給部７２０、加湿デバイス７３０、燃料７４０、電気回路７５０、および熱交換器７９０を含んでいてもよい。これらの構成要素に加えて、電力システム７００は、制御器７８０を含んでいてもよい。
[064]制御器７８０は、図３に示される工程Ｓ１〜Ｓ５を行うことができる。制御器７８０は、燃料電池パラメーターを検出でき、ここで燃料電池パラメーターは、燃料電池の温度、燃料電池の冷却剤の温度、燃料電池のカソード出口ストリームの温度、燃料電池の負荷、周囲温度、カソード出口の湿度、燃料電池の抵抗、または燃料電池の出力であってもよい。制御器７８０は燃料電池パラメーターの閾値を計算することもでき、またはこれらの閾値を制御器７８０にプログラム化してもよいし、または外部源により制御器７８０に伝達してもよい。制御器７８０は、少なくとも１つの燃料電池パラメーターを少なくとも１つの燃料電池パラメーターの閾値と比較してもよい。このような比較に基づいて、制御器７８０は、加湿デバイス７３０を活性化または不活性化させることができる。それに加えて、工程Ｓ１〜Ｓ５のサイクル速度を制御器７８０にプログラム化してもよいし、または制御器７８０によって調節してもよい。
本発明の開示の他の実施態様は、本明細書の考察および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。本明細書および実施例は単なる典型的とみなされ、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によって提示されることが意図される。
１００ 電力システム、燃料電池
１１０ 燃料電池
１２０ 空気供給部
１３０ 加湿デバイス
１４０ 燃料
１５０ 電気回路
１１１ アノード
１１２ カソード
１１３ プロトン交換膜（ＰＥＭ）
１６０ カソード出口ストリーム
１７０ カソード入口ストリーム
１８０ アノード出口ストリーム
１９０ 熱交換器
２１０ 温度閾値
３００ フローチャート
Ｓ１〜Ｓ５ 工程
４００ 電力システム
４１０ 燃料電池
４１２ カソード
４２０ 空気供給部
４３０ 加湿デバイス
４３１ コンデンサー
４３２ ポンプ
４３３ ノズル
４４０ 燃料
４５０ 電気回路
４６０ カソード出口ストリーム
４７０ カソード入口ストリーム
４９０ 熱交換器
５００ 電力システム
５１０ 燃料電池
５２０ 空気供給部
５３０ 加湿デバイス
５３１ エンタルピーホイール
５４０ 燃料
５５０ 電気回路
５６０ カソード出口ストリーム
５７０ カソード入口ストリーム
５９０ 熱交換器
６００ 電力システム
６１０ 燃料電池
６２０ 空気供給部
６３０ 加湿デバイス
６３１ 加湿器
６３２ バルブ
６４０ 燃料
６５０ 電気回路
６６０ カソード出口ストリーム
６７０ カソード入口ストリーム
６９０ 熱交換器
７００ 電力システム
７１０ 燃料電池
７２０ 空気供給部
７３０ 加湿デバイス
７４０ 燃料
７５０ 電気回路
７８０ 制御器
７９０ 熱交換器

Claims (21)

  1. 燃料電池電力システムの加湿を管理する方法であって、
    燃料電池のカソード入口ストリームに空気を供給すること；
    カソード入口ストリームの湿度に関連する燃料電池パラメーターを検出すること；および
    燃料電池パラメーターに基づいて、活性な加湿モードまたは不活性な加湿モードのいずれかで燃料電池を選択的に作動させること
    を含み、ここで活性な加湿モードは、カソード入口ストリームに水を添加することを含み、不活性な加湿モードは、カソード入口ストリームに水を添加しないことを含む、上記方法。
  2. 活性な加湿モードが、カソードの入口温度で評価した場合、約４９％より大きいカソード入口ストリームの相対湿度が達成されるように、水の流量を高める、請求項１に記載の方法。
  3. 活性な加湿モードが、燃料電池のカソード出口ストリームから出る水を凝縮すること、凝縮した水を抽出すること、および抽出された水をノズルを介してカソード入口ストリームにポンプ輸送することを含む、請求項１に記載の方法。
  4. 燃料電池パラメーターが、燃料電池の温度、燃料電池の冷却剤の温度、燃料電池出口ストリームの温度、燃料電池の出力、燃料電池の負荷、カソード出口ストリームの湿度、周囲温度、および燃料電池の抵抗のうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
  5. 活性な加湿モードが、空気を膜加湿器を介して燃料電池に向かわせることを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 活性な加湿モードが、エンタルピーホイールを回転させることを含む、請求項１に記載の方法。
  7. 不活性な加湿モードが、カソード入口ストリームに周囲空気を供給することを含む、請求項１に記載の方法。
  8. 不活性な加湿モードが、全ての空気を、膜加湿器を迂回させて燃料電池に直接向かわせることを含む、請求項５に記載の方法。
  9. 燃料電池が、活性な加湿モードのときに、不活性な加湿モードの場合より多くの出力電力を生成する、請求項１に記載の方法。
  10. 燃料電池が、活性な加湿モードのときに、不活性な加湿モードのときより高温で作動する、請求項１に記載の方法。
  11. 燃料電池の加湿を管理するシステムであって、
    燃料電池に空気が供給されるように設計された空気供給管；
    空気供給管に水のフローが供給されるように設計された加湿デバイス；および
    燃料電池パラメーターを検出して、燃料電池パラメーターに基づいて加湿デバイスの活性化のみを行うか、または不活性化のみを行うように設計された制御器
    を含む、上記システム。
  12. 燃料電池パラメーターが、燃料電池の温度、燃料電池の冷却剤の温度、燃料電池出口ストリームの温度、燃料電池の出力、燃料電池の負荷、カソード出口ストリームの湿度、周囲温度、および燃料電池の抵抗のうち少なくとも１つを含む、請求項１１に記載のシステム。
  13. 加湿デバイスが、コンデンサー、ポンプ、およびノズルを含む、請求項１１に記載のシステム。
  14. 加湿デバイスが、制御器によって活性化されたら、コンデンサーおよびポンプをオンにし、コンデンサーから凝縮水を流動させて、ノズルを介してカソード入口ストリームにポンプ輸送されるように設計されている、請求項１３に記載のシステム。
  15. 加湿デバイスが、
    膜加湿器；および
    カソード入口ストリームを、膜加湿器を避けて燃料電池のカソードに直接向かわせて、膜加湿器を迂回するように設計されたバルブ
    を含む、請求項１１に記載のシステム。
  16. 加湿デバイスが、活性のときに回転し不活性のときに回転しないように設計されたエンタルピーホイールを含む、請求項１１に記載のシステム。
  17. 加湿デバイスが不活性のときに、カソード入口ストリームは周囲空気を含む、請求項１１に記載のシステム。
  18. 制御器が、加湿デバイスに関する少なくとも１つの閾値を計算して、該閾値に基づいて、加湿デバイスを活性化または不活性化させるように設計されている、請求項１１に記載のシステム。
  19. 制御器が、活性な加湿モード及び不活性な加湿モード中に、６０秒の期間内で燃料電池パラメーターを検出するように設計されている、請求項１１に記載のシステム。
  20. 加湿を管理するシステムを有する燃料電池であって、
    空気供給部；
    カソード、アノード、および電解質を含む燃料電池；ならびに
    少なくとも１つの燃料電池パラメーターおよび燃料電池パラメーターの閾値に基づき、活性な加湿モードと不活性な加湿モードとが切り替わるように設計された、２値制御によって作動する加湿デバイス
    を含み、ここで加湿デバイスは、活性な加湿モードのときに、空気供給部によって生成されカソードに供給されるカソード入口ストリームを加湿するように設計されている、上記燃料電池。
  21. 燃料電池パラメーターが、燃料電池の温度、燃料電池の冷却剤の温度、燃料電池出口ストリームの温度、燃料電池の出力、燃料電池の負荷、カソード出口ストリームの湿度、周囲温度、および燃料電池の抵抗のうち少なくとも１つを含む、請求項１９に記載のシステム。
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