JP3434261B2 - 水注入式コンプレッサを備えた燃料電池システム - Google Patents
水注入式コンプレッサを備えた燃料電池システムInfo
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
-
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-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸化剤として圧縮
空気を使用する燃料電池システムに係り、より詳しく
は、エネルギー効率コンプレッサ及び空気を圧縮する方
法に関する。
空気を使用する燃料電池システムに係り、より詳しく
は、エネルギー効率コンプレッサ及び空気を圧縮する方
法に関する。
【０００２】アメリカ合衆国政府は、米国エネルギー省
によって授与された契約番号DE-AC02-90CH10435に従っ
て本発明における権利を有する。
によって授与された契約番号DE-AC02-90CH10435に従っ
て本発明における権利を有する。
【０００３】
【従来技術】燃料電池は、燃料（例えば水素）及び外部
の源から間断なく供給される酸化剤（例えばＯ2）から
電気エネルギーを持続的に生成する電気化学的装置であ
る。そのようなＨ2−Ｏ2燃料電池の一つが、例えば、電
解質としてイオン交換膜を使用する、いわゆる陽子交換
膜（ＰＥＭ）である。そのような燃料電池のアノードで
用いられる水素を水素貯蔵タンクから提供することがで
き、或いは、空気が電池のカソード側で酸化剤として使
用される間に解離したメタノール、ガソリン、ヒドラジ
ンなどから生成することができる。
の源から間断なく供給される酸化剤（例えばＯ2）から
電気エネルギーを持続的に生成する電気化学的装置であ
る。そのようなＨ2−Ｏ2燃料電池の一つが、例えば、電
解質としてイオン交換膜を使用する、いわゆる陽子交換
膜（ＰＥＭ）である。そのような燃料電池のアノードで
用いられる水素を水素貯蔵タンクから提供することがで
き、或いは、空気が電池のカソード側で酸化剤として使
用される間に解離したメタノール、ガソリン、ヒドラジ
ンなどから生成することができる。
【０００４】燃料電池それ自身に加えて、燃料電池シス
テムは、燃料電池の作動を支援するため様々な補助設備
（例えば、ポンプ、熱交換器、燃料プロセッサ、燃焼
器、水分離器など）を必要とする。そのような補助設備
の部品の一つが、燃料電池のカソード側に及び必要に応
じて補助設備の他の部品に圧縮空気を供給するための空
気コンプレッサである。燃料電池システムのコンプレッ
サは、例えば遠心性即ちタービンコンプレッサなどのい
わゆる「動的（ｄｙｎａｍｉｃ）」型式のものであって
もよく、このコンプレッサは、その中を通って移動する
ガスの速度及び圧力を増加させる急速回転するモータを
有する。燃料電池コンプレッサは、互いの又はステータ
ーの直ぐ近くに１又はそれ以上のロータを有する、いわ
ゆる「容量（positive displacement）」型であっても
よい。容量型コンプレッサは当該技術分野で周知されて
おり、送風圧縮機（scroll machine）、ベーン装置、ス
クリュー装置、ルーツ送風機などの回転機械を備え、と
りわけ、それらは、（１）入口ポートに形成された空洞
部を画成、充填し、（２）空洞部内にガスを捕捉し、
（３）圧縮途中の状態又は圧縮無しの状態で排出ポート
へと空洞部内のガスを輸送し、（４）機械的変位によっ
て空洞部からのガスを出力ポートに排出するように構
成、接続された部材構成によって概略特徴付けられる。
テムは、燃料電池の作動を支援するため様々な補助設備
（例えば、ポンプ、熱交換器、燃料プロセッサ、燃焼
器、水分離器など）を必要とする。そのような補助設備
の部品の一つが、燃料電池のカソード側に及び必要に応
じて補助設備の他の部品に圧縮空気を供給するための空
気コンプレッサである。燃料電池システムのコンプレッ
サは、例えば遠心性即ちタービンコンプレッサなどのい
わゆる「動的（ｄｙｎａｍｉｃ）」型式のものであって
もよく、このコンプレッサは、その中を通って移動する
ガスの速度及び圧力を増加させる急速回転するモータを
有する。燃料電池コンプレッサは、互いの又はステータ
ーの直ぐ近くに１又はそれ以上のロータを有する、いわ
ゆる「容量（positive displacement）」型であっても
よい。容量型コンプレッサは当該技術分野で周知されて
おり、送風圧縮機（scroll machine）、ベーン装置、ス
クリュー装置、ルーツ送風機などの回転機械を備え、と
りわけ、それらは、（１）入口ポートに形成された空洞
部を画成、充填し、（２）空洞部内にガスを捕捉し、
（３）圧縮途中の状態又は圧縮無しの状態で排出ポート
へと空洞部内のガスを輸送し、（４）機械的変位によっ
て空洞部からのガスを出力ポートに排出するように構
成、接続された部材構成によって概略特徴付けられる。
【０００５】容量型空気コンプレッサは多数の形態を取
り得るが、概して２つの主要なクラス即ち「湿式（we
t）」及び「乾燥式（dry）」に分類される。「湿式」コ
ンプレッサは、設計によって１又は複数のローターを有
し、該ローターは、ステーターと嵌合し又はローター同
士互いに嵌合し、典型的にはコンプレッサ内部のリザー
バーから提供される潤滑剤（例えばオイル又は水など）
の薄膜が形成される。潤滑剤は、ローター／ステーター
の磨耗を防止し、１又は複数のローターがステーター又
はローター同士互いに直面するところに液体シール部を
形成する。液体シール部は、圧縮されたガスのコンプレ
ッサへの逆流を阻止する（即ち、内部漏洩を減少させ
る）。他方、「乾燥式」コンプレッサは、設計によっ
て、１又は複数のローターを有し、該ローターは、ステ
ーター又はローター同士から近接して隔てられ、それら
の間には、密封用の潤滑剤薄膜は形成されない。という
より、相対的に可動する部品の間に接近したクリアラン
スのみが存在し、このクリアランスは、典型的にはタイ
ミングギヤなどによって維持される。
り得るが、概して２つの主要なクラス即ち「湿式（we
t）」及び「乾燥式（dry）」に分類される。「湿式」コ
ンプレッサは、設計によって１又は複数のローターを有
し、該ローターは、ステーターと嵌合し又はローター同
士互いに嵌合し、典型的にはコンプレッサ内部のリザー
バーから提供される潤滑剤（例えばオイル又は水など）
の薄膜が形成される。潤滑剤は、ローター／ステーター
の磨耗を防止し、１又は複数のローターがステーター又
はローター同士互いに直面するところに液体シール部を
形成する。液体シール部は、圧縮されたガスのコンプレ
ッサへの逆流を阻止する（即ち、内部漏洩を減少させ
る）。他方、「乾燥式」コンプレッサは、設計によっ
て、１又は複数のローターを有し、該ローターは、ステ
ーター又はローター同士から近接して隔てられ、それら
の間には、密封用の潤滑剤薄膜は形成されない。という
より、相対的に可動する部品の間に接近したクリアラン
スのみが存在し、このクリアランスは、典型的にはタイ
ミングギヤなどによって維持される。
【０００６】低いガス流率では、湿式コンプレッサは、
可動する部分の液体シール部及び潤滑油により提供され
る冷却効果の故に、一般に、乾燥式コンプレッサより効
率が高い。しかし、「湿式」コンプレッサを乾燥した状
態（即ち、潤滑剤無しの状態）で駆動することは、該コ
ンプレッサを破壊してしまう。他方、乾燥式コンプレッ
サは、１又は複数のローターを注油すること無しに駆動
することができ、それらが、（１）同じ容積を有する湿
式コンプレッサより最適な設計ポイントにおいて入力エ
ネルギーが少なくて済み、（２）酸化ガスで汚染せず、
（３）寒冷な気候で応用するとき凍結しにくいので、自
動車で使用する型式の燃料電池システムには概して好ま
しい。更に、乾燥式コンプレッサは、高温作動並びにア
イドル及び冷まし状態を保つことを可能とされた燃料電
池の迅速なウォーミングアップに適している。しかし、
乾燥式コンプレッサは、共同して相対的に可動する部品
（ローター及びステーター）間のクリアランス空間を通
過して発生する内部漏洩を最小化させるところの、高い
ガス流率及び高いローター速度においてのみ効率的に作
動する。低いガス流率（例えば、燃料電池に関する電気
的要求が低い場合）では、乾燥式コンプレッサは、コン
プレッサを通過する全体流れのうち内部漏洩がますます
より大きいパーセンテージを占めるようになるので、非
常に非効率的となる。更に、非効率的なコンプレッサは
効率的なコンプレッサより多くの燃料電池エネルギーを
必要とする。この点に関し、燃料電池システムのコンプ
レッサは、燃料電池から逸らされた電流によって付勢さ
れる電気モータによって駆動される。このようにして、
コンプレッサ駆動モータは、燃料電池システムに寄生的
な負荷をかけ、これらのモータが必要とする電流は、該
モータに与えられなければ有用な仕事（例えば自動車の
推進）を生成するため使用可能であったものを、燃料電
池により生成された電流から差し引かなければならな
い。従って、コンプレッサが非効率であるほど、燃料電
池に課される寄生的な負荷はますます増大する。
可動する部分の液体シール部及び潤滑油により提供され
る冷却効果の故に、一般に、乾燥式コンプレッサより効
率が高い。しかし、「湿式」コンプレッサを乾燥した状
態（即ち、潤滑剤無しの状態）で駆動することは、該コ
ンプレッサを破壊してしまう。他方、乾燥式コンプレッ
サは、１又は複数のローターを注油すること無しに駆動
することができ、それらが、（１）同じ容積を有する湿
式コンプレッサより最適な設計ポイントにおいて入力エ
ネルギーが少なくて済み、（２）酸化ガスで汚染せず、
（３）寒冷な気候で応用するとき凍結しにくいので、自
動車で使用する型式の燃料電池システムには概して好ま
しい。更に、乾燥式コンプレッサは、高温作動並びにア
イドル及び冷まし状態を保つことを可能とされた燃料電
池の迅速なウォーミングアップに適している。しかし、
乾燥式コンプレッサは、共同して相対的に可動する部品
（ローター及びステーター）間のクリアランス空間を通
過して発生する内部漏洩を最小化させるところの、高い
ガス流率及び高いローター速度においてのみ効率的に作
動する。低いガス流率（例えば、燃料電池に関する電気
的要求が低い場合）では、乾燥式コンプレッサは、コン
プレッサを通過する全体流れのうち内部漏洩がますます
より大きいパーセンテージを占めるようになるので、非
常に非効率的となる。更に、非効率的なコンプレッサは
効率的なコンプレッサより多くの燃料電池エネルギーを
必要とする。この点に関し、燃料電池システムのコンプ
レッサは、燃料電池から逸らされた電流によって付勢さ
れる電気モータによって駆動される。このようにして、
コンプレッサ駆動モータは、燃料電池システムに寄生的
な負荷をかけ、これらのモータが必要とする電流は、該
モータに与えられなければ有用な仕事（例えば自動車の
推進）を生成するため使用可能であったものを、燃料電
池により生成された電流から差し引かなければならな
い。従って、コンプレッサが非効率であるほど、燃料電
池に課される寄生的な負荷はますます増大する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記事実に
鑑みなされたもので、ガス流率の幅広い範囲に亘って内
部漏洩が減少されたエネルギー効率の高い乾燥式コンプ
レッサを備えることにより負荷を軽減させた燃料電池シ
ステム、並びに、このような燃料電池システムを作働さ
せるための方法を提供することを目的とする。
鑑みなされたもので、ガス流率の幅広い範囲に亘って内
部漏洩が減少されたエネルギー効率の高い乾燥式コンプ
レッサを備えることにより負荷を軽減させた燃料電池シ
ステム、並びに、このような燃料電池システムを作働さ
せるための方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、圧縮空気を燃
料電池（及び必要とされる他のシステム設備）に提供す
るため乾燥式コンプレッサを使用する燃料電池システム
を意図しており、乾燥式コンプレッサのエネルギー効率
は、燃料電池システムにかかるコンプレッサの寄生的負
荷を減少させるため特に低いコンプレッサ速度で最適化
される。より詳しくは、本発明は、与えられた量の空気
を圧縮するためコンプレッサにより必要とされるエネル
ギーを減少させるように、制御された量の水を乾燥式コ
ンプレッサのローターに直接噴霧する。この点に関し
て、噴霧は、ローター上に水の薄い膜を形成し、該膜は
迅速に蒸発し、引き続いて空気が圧縮されるとき該空気
を冷却してその密度を高くし、これによって圧縮に必要
とされる仕事量を減少させる。その上、容量型の乾燥式
コンプレッサでは、水は、相対的に可動する部品の間及
び／又はコンプレッサ内部の内部漏洩を減少させるため
役立つステーターとの間にある圧縮領域に液体シール部
をも形成し、特に、低いコンプレッサ速度でコンプレッ
サ効率を更に改善する。
料電池（及び必要とされる他のシステム設備）に提供す
るため乾燥式コンプレッサを使用する燃料電池システム
を意図しており、乾燥式コンプレッサのエネルギー効率
は、燃料電池システムにかかるコンプレッサの寄生的負
荷を減少させるため特に低いコンプレッサ速度で最適化
される。より詳しくは、本発明は、与えられた量の空気
を圧縮するためコンプレッサにより必要とされるエネル
ギーを減少させるように、制御された量の水を乾燥式コ
ンプレッサのローターに直接噴霧する。この点に関し
て、噴霧は、ローター上に水の薄い膜を形成し、該膜は
迅速に蒸発し、引き続いて空気が圧縮されるとき該空気
を冷却してその密度を高くし、これによって圧縮に必要
とされる仕事量を減少させる。その上、容量型の乾燥式
コンプレッサでは、水は、相対的に可動する部品の間及
び／又はコンプレッサ内部の内部漏洩を減少させるため
役立つステーターとの間にある圧縮領域に液体シール部
をも形成し、特に、低いコンプレッサ速度でコンプレッ
サ効率を更に改善する。
【０００９】本発明の一態様によれば、燃料電池システ
ムは燃料電池を含み、該燃料電池は、該燃料電池のカソ
ード側に圧縮された空気を入力することを可能にするた
めのカソード入口と、水を含むカソード流出物を燃料電
池から排出するためのカソード出口と、を有する。本シ
ステムは、カソード流出物から抽出された水（例えば凝
結水）を収集するためカソード出口の下流側に水収集器
を備える。ポンプが水収集器から水を取り出し、この水
を、乾燥式コンプレッサに接続された水インジェクタに
向けて出力する。この乾燥式コンプレッサは、燃料電池
に適した作働圧力（例えば、ゲージ圧力で約３４．４８
ｋＰａ（５ゲージｐｓｉｇ）ないし約２０６．８５ｋＰ
ａ（３０ゲージｐｓｉｇ））の範囲に亘って、燃料電池
のカソード入口に圧縮された空気を提供する。コンプレ
ッサは、１又はそれ以上のローターを有し、該コンプレ
ッサを通過する空気を圧縮するため、該ローターは各々
互いに又はステーター、のいずれかと共同する。インジ
ェクタは、それがコンプレッサのローターに直接、細か
くされた水の霧を噴霧することができるようにコンプレ
ッサに配置される。即ち、インジェクタは、（１）容量
型コンプレッサにおける相対的に可動する部品の間に効
率を強化する液体シール部を形成し、（２）コンプレッ
サを通過する空気を冷却し且つ密度を高くし、及び
（３）空気を湿らせるために役立つところに配置され
る。流量計は、コンプレッサに入力された空気の流量率
を測定する。コントローラは、流量計及びインジェクタ
と連通しており、特定の流量率でコンプレッサのエネル
ギー効率を最適化するため、コンプレッサに入力された
空気の流量率の関数としてインジェクタを通過する水の
流れを調整するようにプログラムされている。
ムは燃料電池を含み、該燃料電池は、該燃料電池のカソ
ード側に圧縮された空気を入力することを可能にするた
めのカソード入口と、水を含むカソード流出物を燃料電
池から排出するためのカソード出口と、を有する。本シ
ステムは、カソード流出物から抽出された水（例えば凝
結水）を収集するためカソード出口の下流側に水収集器
を備える。ポンプが水収集器から水を取り出し、この水
を、乾燥式コンプレッサに接続された水インジェクタに
向けて出力する。この乾燥式コンプレッサは、燃料電池
に適した作働圧力（例えば、ゲージ圧力で約３４．４８
ｋＰａ（５ゲージｐｓｉｇ）ないし約２０６．８５ｋＰ
ａ（３０ゲージｐｓｉｇ））の範囲に亘って、燃料電池
のカソード入口に圧縮された空気を提供する。コンプレ
ッサは、１又はそれ以上のローターを有し、該コンプレ
ッサを通過する空気を圧縮するため、該ローターは各々
互いに又はステーター、のいずれかと共同する。インジ
ェクタは、それがコンプレッサのローターに直接、細か
くされた水の霧を噴霧することができるようにコンプレ
ッサに配置される。即ち、インジェクタは、（１）容量
型コンプレッサにおける相対的に可動する部品の間に効
率を強化する液体シール部を形成し、（２）コンプレッ
サを通過する空気を冷却し且つ密度を高くし、及び
（３）空気を湿らせるために役立つところに配置され
る。流量計は、コンプレッサに入力された空気の流量率
を測定する。コントローラは、流量計及びインジェクタ
と連通しており、特定の流量率でコンプレッサのエネル
ギー効率を最適化するため、コンプレッサに入力された
空気の流量率の関数としてインジェクタを通過する水の
流れを調整するようにプログラムされている。
【００１０】本発明の好ましい一実施形態によれば、燃
料電池システムは、燃料電池システムが運転停止された
とき、予備電源（例えばバッテリー）で駆動するコンプ
レッサが出力した空気を使用してインジェクタ及びその
供給導管から水を追い出すため、コンプレッサの排出導
管（即ち、燃料電池及び他の予備設備に導く）をインジ
ェクタの水供給導管（即ち、水ポンプからの導管）に連
通させるバルブ制御の導管も備える。パージ配管バルブ
の開閉は、手動で実行されてもよいが、好ましくは、コ
ントローラによって自動的になされるのがよいであろ
う。
料電池システムは、燃料電池システムが運転停止された
とき、予備電源（例えばバッテリー）で駆動するコンプ
レッサが出力した空気を使用してインジェクタ及びその
供給導管から水を追い出すため、コンプレッサの排出導
管（即ち、燃料電池及び他の予備設備に導く）をインジ
ェクタの水供給導管（即ち、水ポンプからの導管）に連
通させるバルブ制御の導管も備える。パージ配管バルブ
の開閉は、手動で実行されてもよいが、好ましくは、コ
ントローラによって自動的になされるのがよいであろ
う。
【００１１】水インジェクタは、内燃機関の吸気マニホ
ルドに燃料（例えばガソリン）を噴霧するため一般に使
用される連続的又は周期的デューティーサイクルの自動
車型式のインジェクタであるのが好ましい。非常に好ま
しくは、インジェクタは、インジェクタからの噴霧パタ
ーンを変化させることなく水の全体に亘る流れ率を変化
させるように噴霧期間及び周波数を変動させる間欠的噴
霧で水を周期的に注入する、パルス幅型式の周期流れ型
インジェクタであるのがよい。
ルドに燃料（例えばガソリン）を噴霧するため一般に使
用される連続的又は周期的デューティーサイクルの自動
車型式のインジェクタであるのが好ましい。非常に好ま
しくは、インジェクタは、インジェクタからの噴霧パタ
ーンを変化させることなく水の全体に亘る流れ率を変化
させるように噴霧期間及び周波数を変動させる間欠的噴
霧で水を周期的に注入する、パルス幅型式の周期流れ型
インジェクタであるのがよい。
【００１２】非常に好ましくは、燃料電池システムは、
（１）炭化水素燃料（例えばガソリン、メタノールな
ど）を水素に転換するための燃料プロセッサと、（２）
燃料プロセッサを加熱するためＨ2が豊富なアノード流
出物及びＯ2を含むカソード流出物によって燃料供給さ
れる燃焼器と、を備え、（３）水収集器は燃焼器又は燃
料プロセッサから下流側に配置される。
（１）炭化水素燃料（例えばガソリン、メタノールな
ど）を水素に転換するための燃料プロセッサと、（２）
燃料プロセッサを加熱するためＨ2が豊富なアノード流
出物及びＯ2を含むカソード流出物によって燃料供給さ
れる燃焼器と、を備え、（３）水収集器は燃焼器又は燃
料プロセッサから下流側に配置される。
【００１３】本発明の別の態様によれば、燃料電池シス
テムを作働させるための方法が提供される。本方法は、
（ａ）燃料電池に適した作働圧力で燃料電池のカソード
に圧縮空気を提供する乾燥式コンプレッサに空気を入力
し、該乾燥式コンプレッサは、空気の圧縮を実行するた
めの少なくとも１つのローターを有し、（ｂ）燃料電池
内で水を生成し、燃料電池のカソード側から水を含む流
出物を排出し、（ｃ）燃料電池の下流側に配置された収
集器でカソード流出物からの水を収集し、（ｄ）コンプ
レッサの作働速度の範囲に亘って、該コンプレッサのエ
ネルギー効率を増加させるように収集器から送られた水
をローターに噴霧し、（ｅ）コンプレッサに入力された
空気の流量率を測定し、（ｆ） 特定の流量率でコンプ
レッサの駆動モータにより消費されるエネルギーを最小
にするためコンプレッサに入力された空気の流量率に関
連してローターに噴霧される水の量を調整する、各工程
を含む。
テムを作働させるための方法が提供される。本方法は、
（ａ）燃料電池に適した作働圧力で燃料電池のカソード
に圧縮空気を提供する乾燥式コンプレッサに空気を入力
し、該乾燥式コンプレッサは、空気の圧縮を実行するた
めの少なくとも１つのローターを有し、（ｂ）燃料電池
内で水を生成し、燃料電池のカソード側から水を含む流
出物を排出し、（ｃ）燃料電池の下流側に配置された収
集器でカソード流出物からの水を収集し、（ｄ）コンプ
レッサの作働速度の範囲に亘って、該コンプレッサのエ
ネルギー効率を増加させるように収集器から送られた水
をローターに噴霧し、（ｅ）コンプレッサに入力された
空気の流量率を測定し、（ｆ） 特定の流量率でコンプ
レッサの駆動モータにより消費されるエネルギーを最小
にするためコンプレッサに入力された空気の流量率に関
連してローターに噴霧される水の量を調整する、各工程
を含む。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明は、図面と関連して以下に
提供される本発明の特定の好ましい実施形態についての
次の詳細な説明に照らして考慮されるとき、より良く理
解されよう。
提供される本発明の特定の好ましい実施形態についての
次の詳細な説明に照らして考慮されるとき、より良く理
解されよう。
【００１５】図１は、水素燃料を受け取るアノード側４
及び空気入口８から空気を受け取るカソード側６を備え
たＰＥＭ型Ｈ2−Ｏ2燃料電池２を有する簡素化された燃
料電池システム（即ち、燃料プロセッサ及び他の補助設
備）を概略的に示している。燃料電池２は、該燃料電池
の電気ターミナルで電流を生成し、燃料電池のカソード
側６で水を生成するため空気中の水素及び酸素を電気化
学的に反応させる。カソード流出物（即ち、水及び未反
応の空気）は、カソード出口１０を介して燃料電池２の
カソード側６から流出し、それと共に、アノード流出物
（即ち、未反応の水素）はアノード出口１２を介して燃
料電池２のアノード側４から流出する。アノード及びカ
ソード流出物は、水を形成し且つ高温燃焼ガス１６を生
成するためそれらが燃焼されるところの燃焼器１４に流
入する。高温燃焼ガス１６は、ガソリン、メタノールな
どを燃料電池内で使用するためのＨ2に転化するＨ2生成
燃料プロセッサ（図示せず）を加熱するために使用され
る。そのような燃料プロセッサの１つが当該技術分野で
周知された蒸気改質器である。水分を含む燃焼ガス１６
は水収集器１８を通過し、この水収集器はガス１６から
水分を抽出し、抽出した水を燃料電池システムの他の場
所で引き続いて使用するためリザーバー２０の中に貯蔵
する。燃料プロセッサを有するシステムでは、水収集器
１８は、燃料プロセッサの下流側に配置されるのが好ま
しい（即ち、燃焼ガスが燃焼反応により水分が豊富とな
り、それらの熱のうちある割合を燃料プロセッサに捨て
た後）が、（図示したように）燃焼器の後段に直接配置
してもよい。他方、タンク内に貯蔵された水素を使用す
るシステム（即ち、燃料プロセッサが無いシステム）で
は、そのように所望された場合、収集器１８を、燃料電
池の後段に直接配置することができる。
及び空気入口８から空気を受け取るカソード側６を備え
たＰＥＭ型Ｈ2−Ｏ2燃料電池２を有する簡素化された燃
料電池システム（即ち、燃料プロセッサ及び他の補助設
備）を概略的に示している。燃料電池２は、該燃料電池
の電気ターミナルで電流を生成し、燃料電池のカソード
側６で水を生成するため空気中の水素及び酸素を電気化
学的に反応させる。カソード流出物（即ち、水及び未反
応の空気）は、カソード出口１０を介して燃料電池２の
カソード側６から流出し、それと共に、アノード流出物
（即ち、未反応の水素）はアノード出口１２を介して燃
料電池２のアノード側４から流出する。アノード及びカ
ソード流出物は、水を形成し且つ高温燃焼ガス１６を生
成するためそれらが燃焼されるところの燃焼器１４に流
入する。高温燃焼ガス１６は、ガソリン、メタノールな
どを燃料電池内で使用するためのＨ2に転化するＨ2生成
燃料プロセッサ（図示せず）を加熱するために使用され
る。そのような燃料プロセッサの１つが当該技術分野で
周知された蒸気改質器である。水分を含む燃焼ガス１６
は水収集器１８を通過し、この水収集器はガス１６から
水分を抽出し、抽出した水を燃料電池システムの他の場
所で引き続いて使用するためリザーバー２０の中に貯蔵
する。燃料プロセッサを有するシステムでは、水収集器
１８は、燃料プロセッサの下流側に配置されるのが好ま
しい（即ち、燃焼ガスが燃焼反応により水分が豊富とな
り、それらの熱のうちある割合を燃料プロセッサに捨て
た後）が、（図示したように）燃焼器の後段に直接配置
してもよい。他方、タンク内に貯蔵された水素を使用す
るシステム（即ち、燃料プロセッサが無いシステム）で
は、そのように所望された場合、収集器１８を、燃料電
池の後段に直接配置することができる。
【００１６】燃料電池システムは、入力された空気２６
を、導管２８を介して燃料電池カソード入口８に供給す
る上で適した圧力（例えば、ゲージ圧力で約３４．４８
ｋＰａ（５ゲージｐｓｉｇ）ないし約２０６．８５ｋＰ
ａ（３０ゲージｐｓｉｇ））まで該空気を圧縮するため
の少なくとも１つの回転ローター２４（２つが図示され
ている）を有する乾燥式コンプレッサ２２を備える。こ
の乾燥式コンプレッサ２２は、本発明による最大の効果
を得るため、容量型コンプレッサであるのが好ましい。
低圧力（即ち、ゲージ圧力で約６８．９５ｋＰａ（１０
ゲージｐｓｉｇ）以下）の燃料電池作動にとって有用と
見られる特定の容量型コンプレッサは、内燃機関を与圧
するため使用される型式のいわゆる「ルーツ送風機」で
ある。そのような与圧器／送風機の１つが、本発明の代
理人により製造される車両で使用するため、オハイオ
州、クレーブランドのエートン・コーポレーションによ
って販売されている。ルーツ送風機は、１組の内部嵌合
ローターを使用して、ローター間及びステーター嵌合の
間に空気ポケットを捕捉し、ガスが循環する間に内部圧
縮しない状態で、捕捉したポケットを装置の入口から出
口まで移動させる。その代わりに、コンプレッサ２２
は、本発明から部分的な効果を奏するだけの「動的（dy
namic）」型式のコンプレッサであってもよい。
を、導管２８を介して燃料電池カソード入口８に供給す
る上で適した圧力（例えば、ゲージ圧力で約３４．４８
ｋＰａ（５ゲージｐｓｉｇ）ないし約２０６．８５ｋＰ
ａ（３０ゲージｐｓｉｇ））まで該空気を圧縮するため
の少なくとも１つの回転ローター２４（２つが図示され
ている）を有する乾燥式コンプレッサ２２を備える。こ
の乾燥式コンプレッサ２２は、本発明による最大の効果
を得るため、容量型コンプレッサであるのが好ましい。
低圧力（即ち、ゲージ圧力で約６８．９５ｋＰａ（１０
ゲージｐｓｉｇ）以下）の燃料電池作動にとって有用と
見られる特定の容量型コンプレッサは、内燃機関を与圧
するため使用される型式のいわゆる「ルーツ送風機」で
ある。そのような与圧器／送風機の１つが、本発明の代
理人により製造される車両で使用するため、オハイオ
州、クレーブランドのエートン・コーポレーションによ
って販売されている。ルーツ送風機は、１組の内部嵌合
ローターを使用して、ローター間及びステーター嵌合の
間に空気ポケットを捕捉し、ガスが循環する間に内部圧
縮しない状態で、捕捉したポケットを装置の入口から出
口まで移動させる。その代わりに、コンプレッサ２２
は、本発明から部分的な効果を奏するだけの「動的（dy
namic）」型式のコンプレッサであってもよい。
【００１７】液体インジェクタ３０は、細かい霧状の水
を調整し霧化してローター２４上に噴霧するようにコン
プレッサ２２の入口に配置される。このインジェクタ３
０は、パルス幅型式のインジェクタであるのが好まし
く、この型式では、与えられた周期（例えば、グラム／
秒）でローター上に噴霧される水の量を変化させるため
パルスの周波数及び持続期間が変化させられる。インジ
ェクタ３０のための水は、水供給導管４２を介してポン
プ４０によってリザーバー２０から汲み出される。リザ
ーバー２０からの水は、導管４４を介して、水が必要と
されるシステムの他の設備（例えば蒸気改質器）に汲み
出されてもよい。
を調整し霧化してローター２４上に噴霧するようにコン
プレッサ２２の入口に配置される。このインジェクタ３
０は、パルス幅型式のインジェクタであるのが好まし
く、この型式では、与えられた周期（例えば、グラム／
秒）でローター上に噴霧される水の量を変化させるため
パルスの周波数及び持続期間が変化させられる。インジ
ェクタ３０のための水は、水供給導管４２を介してポン
プ４０によってリザーバー２０から汲み出される。リザ
ーバー２０からの水は、導管４４を介して、水が必要と
されるシステムの他の設備（例えば蒸気改質器）に汲み
出されてもよい。
【００１８】ローター２４に噴霧される水の量は、コン
プレッサを通過する空気の量に対するコンプレッサ２２
のエネルギー効率を最適化するため必要とされる水と同
じ量のみを提供するように制御される。「動的」及び
「容量型」コンプレッサのいずれの場合でも、水の噴霧
はコンプレッサ２２内の空気を冷却してその密度を高
め、その結果、コンプレッサの効率を改善する。それ
は、空気も湿らせる。湿気化は、膜電極の乾燥を防止す
るためＰＥＭ型式の燃料電池には望ましい。カソード空
気に噴霧された水の蒸発によって達成される冷却及び湿
気化は、空気が燃料電池に入る前に空気を冷却し湿らせ
るためコンプレッサの下流側で必要とされ得る湿気器及
び冷却器のサイズを減少させることを可能にする。容量
型コンプレッサでは、水噴霧は、ローター同士の間又は
１つのローターとステーターとの間にある狭いクリアラ
ンス領域に液体シール部を提供することによってコンプ
レッサエネルギー効率を改善させ、特に遅いコンプレッ
サ速度においてコンプレッサ内の空気の内部漏洩を減少
させる。容量型コンプレッサでは、水が非常に少な過ぎ
る場合、水があまりに迅速に蒸発する結果、所望の液体
シール部が得られなくなるので最適な効率を達成できな
い結果となる。他方、水が多過ぎる場合、それは完全に
蒸発することなくコンプレッサを通過する全流路を通っ
て輸送され、並びに、コンプレッサ内で非常に遅い流れ
を引き起こすおそれがあるほど水圧を蓄積し得るので、
問題となる。
プレッサを通過する空気の量に対するコンプレッサ２２
のエネルギー効率を最適化するため必要とされる水と同
じ量のみを提供するように制御される。「動的」及び
「容量型」コンプレッサのいずれの場合でも、水の噴霧
はコンプレッサ２２内の空気を冷却してその密度を高
め、その結果、コンプレッサの効率を改善する。それ
は、空気も湿らせる。湿気化は、膜電極の乾燥を防止す
るためＰＥＭ型式の燃料電池には望ましい。カソード空
気に噴霧された水の蒸発によって達成される冷却及び湿
気化は、空気が燃料電池に入る前に空気を冷却し湿らせ
るためコンプレッサの下流側で必要とされ得る湿気器及
び冷却器のサイズを減少させることを可能にする。容量
型コンプレッサでは、水噴霧は、ローター同士の間又は
１つのローターとステーターとの間にある狭いクリアラ
ンス領域に液体シール部を提供することによってコンプ
レッサエネルギー効率を改善させ、特に遅いコンプレッ
サ速度においてコンプレッサ内の空気の内部漏洩を減少
させる。容量型コンプレッサでは、水が非常に少な過ぎ
る場合、水があまりに迅速に蒸発する結果、所望の液体
シール部が得られなくなるので最適な効率を達成できな
い結果となる。他方、水が多過ぎる場合、それは完全に
蒸発することなくコンプレッサを通過する全流路を通っ
て輸送され、並びに、コンプレッサ内で非常に遅い流れ
を引き起こすおそれがあるほど水圧を蓄積し得るので、
問題となる。
【００１９】本発明によれば、ローターに噴霧される水
の量は、最適なコンプレッサエネルギー効率（即ち、特
定の空気流量に対する最も低いエネルギー消費量）を達
成するため、制御され、コンプレッサ２２に流入する空
気の流量率の関数として変化させられる。この目的のた
めに、コンプレッサ２２に流入する入力空気２６の空気
流量率が適切な空気流量計３１によって測定され、この
流量率を示す信号３２がコントローラ（即ち電子制御モ
ジュール）３４に送られる。この目的のために好ましい
流量計は、例えば「熱線（hot wire）」又は「熱薄膜
（hot film）」型式の風速計であり、エンジンへの空気
流を測定するため内燃機関の吸気マニホルドで一般に使
用され、測定された空気流に基づいてエンジンに必要と
される燃料の量が計算される。
の量は、最適なコンプレッサエネルギー効率（即ち、特
定の空気流量に対する最も低いエネルギー消費量）を達
成するため、制御され、コンプレッサ２２に流入する空
気の流量率の関数として変化させられる。この目的のた
めに、コンプレッサ２２に流入する入力空気２６の空気
流量率が適切な空気流量計３１によって測定され、この
流量率を示す信号３２がコントローラ（即ち電子制御モ
ジュール）３４に送られる。この目的のために好ましい
流量計は、例えば「熱線（hot wire）」又は「熱薄膜
（hot film）」型式の風速計であり、エンジンへの空気
流を測定するため内燃機関の吸気マニホルドで一般に使
用され、測定された空気流に基づいてエンジンに必要と
される燃料の量が計算される。
【００２０】コントローラ３４は、コンプレッサの電力
引出しを最小にするように、コンプレッサ２２に入力さ
れた空気の流量率（例えばグラム／秒）に対して水注入
率（例えばグラム／秒）を関係付ける参照テーブルを備
えている。参照テーブルのための空気／水の流量値は、
一連の実験を経て実験室内で経験的に測定される。これ
らの実験では、（１）乾燥式コンプレッサが様々な速度
で駆動され、（２）コンプレッサへの入力空気の流量率
が様々な速度の各々で測定され、（３）各々の流量率に
対して異なる率で水がローターに注入され、（４）コン
プレッサ２２への入力シャフトへのパワーが、各々の流
量率に対して最小の入力パワーが見い出されるまで各条
件で測定される。
引出しを最小にするように、コンプレッサ２２に入力さ
れた空気の流量率（例えばグラム／秒）に対して水注入
率（例えばグラム／秒）を関係付ける参照テーブルを備
えている。参照テーブルのための空気／水の流量値は、
一連の実験を経て実験室内で経験的に測定される。これ
らの実験では、（１）乾燥式コンプレッサが様々な速度
で駆動され、（２）コンプレッサへの入力空気の流量率
が様々な速度の各々で測定され、（３）各々の流量率に
対して異なる率で水がローターに注入され、（４）コン
プレッサ２２への入力シャフトへのパワーが、各々の流
量率に対して最小の入力パワーが見い出されるまで各条
件で測定される。
【００２１】図２は、コントローラ３４の空気流量率対
水注入率の参照テーブルを準備する上で役立つ経験的に
得られた１組のテストデータのためのプロットを示し、
燃料電池システム設計者に有用な他のデータを示してい
る。この特別な組のデータは、乾燥状態、及び、その最
大容量の２０％ないし６０％で作働する２軸の容量型コ
ンプレッサへの制御された水の注入状態の両方で得るこ
とができる性能を示している。データを得るため、コン
プレッサは様々な速度で作働され、テスト期間中に水が
注入されたり注入されなかったりした。図２は、（１）
コンプレッサの容積測定の効率（曲線Ａ）、（２）断熱
状態で、コンプレッサが空気圧縮のため実際になした仕
事に対する理論的になすべき仕事の比率（即ち断熱効
率）（曲線Ｂ）、（３）入力された空気流量率（曲線
Ｃ）、（４）コンプレッサにより消費されたパワー（曲
線Ｄ）、（５）コンプレッサから吐出された空気の温度
（曲線Ｅ）をプロットしている。破線による曲線は、乾
燥状態で駆動しているコンプレッサに対する値を反映
し、実線による曲線は、水が注入された状態でのコンプ
レッサに対する値を反映している。「オン」になったと
き、水が毎秒０．７９グラムの流量率で注入され、
（１）コンプレッサの吐出空気の温度が１５０℃から６
５℃まで低下し（曲線Ｅを見よ）、（２）５％程度まで
断熱効率が増加し（曲線Ｂを見よ）、（３）８％程度ま
で容積測定効率が増加し（曲線Ａを見よ）、（４）乾燥
式コンプレッサと比較して１７．５％程度まで空気流量
率が増加した（曲線Ｃを見よ）。コンプレッサにより消
費されたパワーは僅かにしか上昇しなかった（曲線Ｄを
見よ）。より大きな空気流量が達成されたが、等価な空
気流量に対して消費されたパワーは、改善された断熱効
率（曲線Ｂ）に起因して減少したからである。
水注入率の参照テーブルを準備する上で役立つ経験的に
得られた１組のテストデータのためのプロットを示し、
燃料電池システム設計者に有用な他のデータを示してい
る。この特別な組のデータは、乾燥状態、及び、その最
大容量の２０％ないし６０％で作働する２軸の容量型コ
ンプレッサへの制御された水の注入状態の両方で得るこ
とができる性能を示している。データを得るため、コン
プレッサは様々な速度で作働され、テスト期間中に水が
注入されたり注入されなかったりした。図２は、（１）
コンプレッサの容積測定の効率（曲線Ａ）、（２）断熱
状態で、コンプレッサが空気圧縮のため実際になした仕
事に対する理論的になすべき仕事の比率（即ち断熱効
率）（曲線Ｂ）、（３）入力された空気流量率（曲線
Ｃ）、（４）コンプレッサにより消費されたパワー（曲
線Ｄ）、（５）コンプレッサから吐出された空気の温度
（曲線Ｅ）をプロットしている。破線による曲線は、乾
燥状態で駆動しているコンプレッサに対する値を反映
し、実線による曲線は、水が注入された状態でのコンプ
レッサに対する値を反映している。「オン」になったと
き、水が毎秒０．７９グラムの流量率で注入され、
（１）コンプレッサの吐出空気の温度が１５０℃から６
５℃まで低下し（曲線Ｅを見よ）、（２）５％程度まで
断熱効率が増加し（曲線Ｂを見よ）、（３）８％程度ま
で容積測定効率が増加し（曲線Ａを見よ）、（４）乾燥
式コンプレッサと比較して１７．５％程度まで空気流量
率が増加した（曲線Ｃを見よ）。コンプレッサにより消
費されたパワーは僅かにしか上昇しなかった（曲線Ｄを
見よ）。より大きな空気流量が達成されたが、等価な空
気流量に対して消費されたパワーは、改善された断熱効
率（曲線Ｂ）に起因して減少したからである。
【００２２】本発明の好ましい実施形態は、水配管４２
を清掃するためパージバルブ４６によって制御されたパ
ージ配管４５と、他の必需品及びインジェクタ３０へ至
る導管４４とを備え、システムが運転停止したときコン
プレッサが空気を排出する。パージバルブ４６は手動で
操作されてもよいが、好ましくは、システムが運転停止
モードにあるときコントローラ３４から発せられた信号
４８に応答して自動的に作働されるのがよい。
を清掃するためパージバルブ４６によって制御されたパ
ージ配管４５と、他の必需品及びインジェクタ３０へ至
る導管４４とを備え、システムが運転停止したときコン
プレッサが空気を排出する。パージバルブ４６は手動で
操作されてもよいが、好ましくは、システムが運転停止
モードにあるときコントローラ３４から発せられた信号
４８に応答して自動的に作働されるのがよい。
【００２３】コンプレッサ２２は、事実上、３つの作働
モードを有する。即ち、（１）システムウォーミングア
ップ中の「乾燥モード」、（２）通常のシステム作働中
の「湿気モード」、及び（３）システム運転停止中の
「パージ乾燥モード」である。システムが始動したと
き、燃料電池２の温度を適切に上げられた温度にまで上
昇させる必要がある。これは、好都合になすことがで
き、部分的には、空気に分かち与えられた圧縮熱を利用
して空気がコンプレッサを通過したとき燃料電池２の温
度を上昇させるようにコンプレッサを乾燥状態で作働さ
せることによってなされる。システムがウォーミングア
ップした後、水の注入がシステムを通常に作働させるた
めに開始される。コンプレッサのローターに注入される
水の量は、燃料電池システムの作働空気流範囲に亘って
コンプレッサのエネルギー効率を最大にするように定め
られる。空気流量計３１からの入力に応答して、システ
ムコントローラ３４は、コンプレッサのエネルギー効率
を最適化するため必要とされる所望量の水を配給するた
め、水インジェクタ３０にデューティサイクル信号を出
力する。運転停止の間、コンプレッサは、パージ配管４
５を介してインジェクタ３０、コンプレッサ２２又は水
供給配管４２内の残余の水分を蒸発させるため、コンプ
レッサの出力ガスに分かち与えられた圧縮熱を利用する
ように「乾燥状態」で作働する。この一掃作業は、コン
トローラ３４によって自動的に制御されるのが好まし
く、該コントローラはシステムが運転停止したときパー
ジバルブ４６を開放し、所定時間のインターバルでパー
ジバルブ４６を引き続いて開放するため、それを開いた
状態に保つ。
モードを有する。即ち、（１）システムウォーミングア
ップ中の「乾燥モード」、（２）通常のシステム作働中
の「湿気モード」、及び（３）システム運転停止中の
「パージ乾燥モード」である。システムが始動したと
き、燃料電池２の温度を適切に上げられた温度にまで上
昇させる必要がある。これは、好都合になすことがで
き、部分的には、空気に分かち与えられた圧縮熱を利用
して空気がコンプレッサを通過したとき燃料電池２の温
度を上昇させるようにコンプレッサを乾燥状態で作働さ
せることによってなされる。システムがウォーミングア
ップした後、水の注入がシステムを通常に作働させるた
めに開始される。コンプレッサのローターに注入される
水の量は、燃料電池システムの作働空気流範囲に亘って
コンプレッサのエネルギー効率を最大にするように定め
られる。空気流量計３１からの入力に応答して、システ
ムコントローラ３４は、コンプレッサのエネルギー効率
を最適化するため必要とされる所望量の水を配給するた
め、水インジェクタ３０にデューティサイクル信号を出
力する。運転停止の間、コンプレッサは、パージ配管４
５を介してインジェクタ３０、コンプレッサ２２又は水
供給配管４２内の残余の水分を蒸発させるため、コンプ
レッサの出力ガスに分かち与えられた圧縮熱を利用する
ように「乾燥状態」で作働する。この一掃作業は、コン
トローラ３４によって自動的に制御されるのが好まし
く、該コントローラはシステムが運転停止したときパー
ジバルブ４６を開放し、所定時間のインターバルでパー
ジバルブ４６を引き続いて開放するため、それを開いた
状態に保つ。
【００２４】コントローラ３４は、本発明の水注入技術
専用のコントローラ、或いは、好ましくは全燃料電池シ
ステムの多数の相を制御するため使用される中央コント
ローラの一部分の機能のいずれであってもよい。中央コ
ントローラ３４は、入力信号を受信し、該入力信号を該
入力信号に関係付けられた他の値に変換し、該入力信号
を総和し、それらの入力信号に基づく内部信号を生成
し、滑らかな出力信号を提供するため内部信号を調整し
（即ち、積分／微分）、及び、何であれ燃料電池システ
ムを制御するため必要とされる他の機能を行うため必要
なハードウェア及びソフトウェアを含む。コントローラ
３４は、所定のインターバル（例えば、１００ミリ秒
毎）で記述されたプロセスを周期的に実行するようにプ
ログラムされた、従来の一般目的で使用されるデジタル
・コンピュータを基礎としたコントローラの形態を取り
得る。コントローラ３４は、例えば、（１）計算、論理
演算及び制御機能を実行するため適切な計算及び論理演
算回路を備えた中央処理ユニット（CPU）、（２）読み
出し専用メモリ（ROM）、（３）読み書きランダムアク
セスメモリ（RAM）、（４）、電子的にプログラム可能
な読み出し専用メモリ（EPROM）、及び、（５）、とり
わけ空気流量計、水インジェクタ及びパージバルブとの
インターフェースを制御する入出力回路など周知の構成
要素を備える。ＲＯＭは、本発明の水注入技術を備えた
コントローラによって実行される幾つかのプロセスを実
行するためＣＰＵによって読み出され実行される命令を
記憶している。ＥＰＲＯＭは、適切な入力信号及び出力
信号を転換し比較するため、適切な参照テーブル及び必
要とされるキャリブレーション定数を記憶している。コ
ントローラ３４は、インジェクタ３０のための適切な制
御信号３３を提供するため信号３２を処理し、並びに、
水パージバルブ３６に信号４８を提供するためシステム
の運転停止を示すシステム内の他の場所から生じる運転
停止信号を処理する。
専用のコントローラ、或いは、好ましくは全燃料電池シ
ステムの多数の相を制御するため使用される中央コント
ローラの一部分の機能のいずれであってもよい。中央コ
ントローラ３４は、入力信号を受信し、該入力信号を該
入力信号に関係付けられた他の値に変換し、該入力信号
を総和し、それらの入力信号に基づく内部信号を生成
し、滑らかな出力信号を提供するため内部信号を調整し
（即ち、積分／微分）、及び、何であれ燃料電池システ
ムを制御するため必要とされる他の機能を行うため必要
なハードウェア及びソフトウェアを含む。コントローラ
３４は、所定のインターバル（例えば、１００ミリ秒
毎）で記述されたプロセスを周期的に実行するようにプ
ログラムされた、従来の一般目的で使用されるデジタル
・コンピュータを基礎としたコントローラの形態を取り
得る。コントローラ３４は、例えば、（１）計算、論理
演算及び制御機能を実行するため適切な計算及び論理演
算回路を備えた中央処理ユニット（CPU）、（２）読み
出し専用メモリ（ROM）、（３）読み書きランダムアク
セスメモリ（RAM）、（４）、電子的にプログラム可能
な読み出し専用メモリ（EPROM）、及び、（５）、とり
わけ空気流量計、水インジェクタ及びパージバルブとの
インターフェースを制御する入出力回路など周知の構成
要素を備える。ＲＯＭは、本発明の水注入技術を備えた
コントローラによって実行される幾つかのプロセスを実
行するためＣＰＵによって読み出され実行される命令を
記憶している。ＥＰＲＯＭは、適切な入力信号及び出力
信号を転換し比較するため、適切な参照テーブル及び必
要とされるキャリブレーション定数を記憶している。コ
ントローラ３４は、インジェクタ３０のための適切な制
御信号３３を提供するため信号３２を処理し、並びに、
水パージバルブ３６に信号４８を提供するためシステム
の運転停止を示すシステム内の他の場所から生じる運転
停止信号を処理する。
【００２５】本発明は、その特定の実施形態の観点で開
示されたが、上記例に限定することを意図したものでは
なく、本発明の範囲は、請求の範囲によってのみ画定さ
れる。
示されたが、上記例に限定することを意図したものでは
なく、本発明の範囲は、請求の範囲によってのみ画定さ
れる。
【図１】本発明に係る、簡素化された燃料電池システム
の概略図である。
の概略図である。
【図２】様々なローター速度に関して、水注入を行う場
合と行わない場合において、二軸の乾燥式容量型コンプ
レッサの駆動性能をプロットしたグラフである。
合と行わない場合において、二軸の乾燥式容量型コンプ
レッサの駆動性能をプロットしたグラフである。
２ ＰＥＭ型Ｈ2−Ｏ2燃料電池
４ アノード側
６ カソード側
８ 空気入口
１０ カソード出口
１２ アノード出口
１４ 燃焼器
１６ 水分を含む高温燃焼ガス
１８ 水収集器
２０ リザーバー
２２ 乾燥式コンプレッサ
２４ ローター
２６ 入力空気
２８ 導管
３０ インジェクタ
３１ 空気流量計
３２ 空気流量率を示す信号
３３ インジェクタのための制御信号
３４ コントローラ
４０ ポンプ
４２ 水供給導管
４４ 導管
４５ パージ配管
４６ パージバルブ
４８ パージバルブのための制御信号
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 バーバラ・エス・ムーア
アメリカ合衆国ニューヨーク州14564,
ヴィクター，ウェリントン・ドライブ
1177
(72)発明者 マーティン・モンロー・ホック
アメリカ合衆国ニューヨーク州14580,
ウエブスター，ハイ・ヴィスタ・トレイ
ル 998
(56)参考文献 特開 平６−333583（ＪＰ，Ａ)
特開 平11−82834（ＪＰ，Ａ)
特表 平７−505011（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01M 8/06
H01M 8/04
Claims (9)
- 【請求項１】 燃料電池システムであって、 （１） 燃料電池であって、圧縮された空気を該燃料電
池に流入可能にするカソード入口及び該燃料電池からカ
ソード流出物を排出するためのカソード出口を有し、該
流出物は該燃料電池内で生成された水を含む、前記燃料
電池と、 （２） 前記流出物から前記水を収集するため前記カソ
ード出口の下流側に配置された収集器と、 （３） 前記収集器から前記水を取り出すためのポンプ
と、 （４） 入力された空気を圧縮し、前記燃料電池に適し
た作働圧力の範囲に亘って、圧縮された前記空気を第１
の導管を介して前記カソード入口に供給するための、少
なくとも１つのローターを有する乾燥式コンプレッサ
と、 （５） 前記収集器から取り出された前記水の霧を前記
ローターに直接噴霧するため前記コンプレッサと連通す
るインジェクタと、 （６） 前記インジェクタに前記水を供給するため前記
ポンプと該インジェクタとを連通させる第２の導管と、 （７） 前記コンプレッサに入力された空気の流量率を
測定するための流量計と、 （８） 特定の前記流量率において前記コンプレッサの
エネルギー効率を最適化するため、前記コンプレッサに
入力された空気の流量率の関数として前記インジェクタ
を通過する水の流れを調整するように、前記流量計及び
前記インジェクタと接続されたコントローラと、 を含む、燃料電池システム。 - 【請求項２】 前記燃料電池が運転停止している間、前
記第２の導管及び前記インジェクタから水を追い出すた
め前記第１及び第２の導管と連通する第３の導管と、該
第３の導管内の圧縮空気の流れを制御するため該第３の
導管と作動的に連係するバルブと、を備える請求項１に
記載の燃料電池システム。 - 【請求項３】 前記コントローラは、前記バルブを制御
するため前記バルブと連通する、請求項２に記載の燃料
電池システム。 - 【請求項４】 前記インジェクタは、パルス幅変調のイ
ンジェクタである、請求項１に記載の燃料電池システ
ム。 - 【請求項５】 燃料電池システムを作働させるための方
法であって、（ａ） 燃料電池に適した作働圧力で該燃
料電池のカソードに圧縮空気を提供する乾燥式コンプレ
ッサに空気を入力し、該乾燥式コンプレッサは空気の圧
縮を実行するため少なくとも１つのローターを有し、
（ｂ） 前記燃料電池内で生成された水を含む流出物を
前記カソードから排出し、（ｃ） 前記燃料電池の下流
側に配置された収集器で、前記流出物から前記水を収集
し、（ｄ） 前記コンプレッサの作働速度の範囲に亘っ
て、該コンプレッサの効率を増加させるように前記収集
器から取り出された前記水を前記ローターに噴霧し、
（ｅ） 前記コンプレッサに入力された前記空気の流量
率を測定し、（ｆ） 与えられた流量率で前記コンプレ
ッサにより消費されるエネルギーを最小にするため前記
流量率に関連して前記噴霧の量を調整する、各工程を含
む、前記方法。 - 【請求項６】 前記水は、前記燃料電池から出た直後に
前記流出物から収集される、請求項５に記載の方法。 - 【請求項７】 前記システムは、燃料プロセッサと、該
燃料プロセッサを加熱するため前記流出物によって燃料
供給される燃焼器と、を備え、前記水は、該燃焼器の下
流側の該流出物から収集される、請求項５に記載の方
法。 - 【請求項８】 燃料電池システムを作働させるための方
法であって、（ａ） 燃料電池に適した作働圧力で該燃
料電池のカソードに圧縮空気を提供する乾燥式コンプレ
ッサに空気を入力し、該乾燥式コンプレッサは空気の圧
縮を実行するため少なくとも１つのローターを有し、
（ｂ） 前記システムのウォーミングアップの間に前記
乾燥式コンプレッサを乾燥状態で駆動させ、前記空気の
圧縮熱で前記ウォーミングアップを促進し、（ｃ） 前
記燃料電池で生成された水を含む流出物を前記カソード
から排出し、（ｄ） 前記燃料電池の下流側に配置され
た収集器で、前記流出物からの前記水を収集し、（ｅ）
前記システムがその通常の作働温度となるまでウォー
ミングアップした後、前記コンプレッサの作働速度の範
囲に亘って、該コンプレッサの効率を増加させるように
前記収集器から取り出された前記水を前記ローターに噴
霧し、（ｆ） 前記コンプレッサに入力された前記空気
の流量率を測定し、（ｇ） 与えられた流量率で前記コ
ンプレッサにより消費されるエネルギーを最小にするた
め前記流量率に関連して前記噴霧の量を調整する、各工
程を含む、前記方法。 - 【請求項９】 燃料電池システムを作働させるための方
法であって、（ａ） 燃料電池に適した作働圧力で該燃
料電池のカソードに圧縮空気を提供する乾燥式コンプレ
ッサに空気を入力し、該乾燥式コンプレッサは空気の圧
縮を実行するため少なくとも１つのローターを有し、
（ｂ） 前記燃料電池内で生成された水を含む流出物を
前記カソードから排出し、（ｃ） 前記燃料電池の下流
側に配置された収集器で、前記流出物からの前記水を収
集し、（ｄ） 前記コンプレッサの作働速度の範囲に亘
って、該コンプレッサの効率を増加させるように前記収
集器から取り出された前記水を前記ローターに噴霧し、
（ｅ） 前記コンプレッサに入力された前記空気の流量
率を測定し、（ｆ） 与えられた流量率で前記コンプレ
ッサにより消費されるエネルギーを最小にするため前記
流量率に関連して前記噴霧の量を調整し、（ｇ） 前記
システムの運転停止の間、前記噴霧の工程を終了し、前
記空気の増加した圧縮熱を利用して前記システム内に残
った水を蒸発させるため前記コンプレッサを乾燥状態で
駆動する、各工程を含む、前記方法。
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