JPH07505011A - 改良された反応体供給と制御系を備えた一定電圧の燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 改良された反応体供給と制御系を備えた一定電圧の燃料電池技術分野 本発明は電気化学燃料電池に関する。より詳しくは、本発明は優れた反応体の供 給と制御系を有する電力発生装置を基礎にする燃料電池に関する。

発明の背景 電気化学燃料電池は、電池内で燃料の酸化により、燃料から取り出した化学エネ ルギーを直接電気エネルギーに転化させて電気エネルギーを発生させる。典型的 な燃料電池はアノード、カソード、及び電解質を含む。燃料と酸化剤をそれぞれ アノードとカソードに供給する。アノードにおいて燃料は電極材料に浸透し、ア ノード触媒層で反応してカチオンを形成し、カラオンは電解質を通ってカソード に移動する。カソードで酸化剤（例、酸素又は酸素含有ガスの供給）はカソード 触媒層において反応し、アニオンを形成する。カソードで生成したアニオンはカ チオンと反応し、反応生成物を生成する。燃料電池は使用可能な電流を発生し、 反応生成物は電池から取り出す。

水素を燃料として、酸素を含む空気（又は純粋な酸素）を酸化剤として使用する 電気化学燃料電池において、アノードでの触媒反応は燃料供給から水素カチオン を生成する。イオン交換膜が水素イオン（プロトン）のアノードからカソードへ の移動を容易にする。水素カチオンの誘導の他に、膜は、水素燃料の流れを、酸 素含有空気を含む酸化剤の流れから隔てる。カソードで酸素は触媒層において反 応し、アニオンを生成する。カソードで生じたアニオンは、膜を通った水素イオ ンと反応し、反応生成物として液体の水を生成する。

このような燃料電池におけるアノードとカソードでの反応は次の式（１）と（２ ）に示される。

アノード反応：　Ｈｔ　＝２Ｈ”　＋２　ｅ−ｆＩＩカソード反応：　Ｉ／２０ ２　＋２８”　＋ｅ−→Ｈ，Ｏ（２１固体燃料電池は一般に、多孔質の導電性シ ート材料で作成された２つの電極間に配置されたイオン交換膜又は固体ポリマー 電解質からなる膜電極アセンブリー（ＭＥＡ）を含む。電極は典型的に炭素繊維 ベーパーて形成し、一般にポリテトラフルオロエチレンのような疎水性ポリマー で含浸又はコーティングする。ＭＥＡは、望ましい電気化学反応を起こすために 各々の膜／電極の界面に触媒層を含む。微細に分割した白金触媒を典型的に使用 する。ＭＥＡを順次に２つの導電性プレートの間に配置し、各々はその中に彫っ た又は削った少なくとも１−）の流路を有する。これらの流体フローフィールド プレートは典型的にグラファイトで作成される。流路は燃料と酸化剤をそれぞれ の電極、即ち燃料側のアノードと酸化剤側のカソードに導く。電極は電気的に接 続され、電極間に電子を通す道を提供する。

単一電池の配置において、流体フローフィールドプレートを各々のアノードとカ ソードの面の上に施す。このプレートは集電体として作用し、電池の支持を提供 し、燃料と酸化剤の各々のアノードとカソードの表面への出入りチャンネルを提 供し、電池の操作の間に生成した水の除去のためのチャンネルを提供する。

アセンブリーの全体の出力を上げるために２以上の燃料電池を直列又は並列で一 緒に接続することかできる。このような配置において、燃料電池は典型的に直列 に接続する。所与のプレートの面の１つは１つのセルの７ノードブレー・トとし て役立ち、プレートの他の面は隣のセルのカソードプレートである。このような 直列に接続した多数燃料電池の配置は燃料電池スタックと称され、通常は引棒又 はエンドプレートで支持する。

スタックは典型的に、燃料（実質的に純粋な水素、メタノールリホーメート、天 然ガスリホーメート）と酸化剤（実質的に純粋な酸素又は酸素含有空気）をアノ ードとカソードのフローフィールドチャンネルに導くための供給マニホールド又 は入り口を含む。排気マニホールド又は出口は、未反応の燃料と酸化剤ガス（各 々は同伴した水を運ぶ）を取り出すために典型的に用意する。

また、通常はス・タックは、燃料電池の中で水素と酸素の発熱反応によって生じ た熱を吸収するために、スタックの中の内部チャンネルに冷却用流体（典型的に 水）を導くための供給マニホールド又は入口を含む。出口マニホールドは冷却水 がスタックから出ることを可能にする。

燃料の活性成分として水素を、酸化剤の活性成分として酸素を使用する燃料電池 において、燃料は実質的に純粋な水素として、又は水素を含む改質ガスとして、 例えばメタノールと水の改質又は天然ガスの改質生成物として供給することがで きる。同様に、酸化剤は実質的に純粋な酸素又は酸素含有ガスとして供給するこ とができる。

反応体は通常はスタックに入る前に湿らせ、乾燥して各々のセルのアノードとカ ソードを隔てる膜に損傷を与えないようにする。このような膜は一般にイオン輸 送を行うために水の存在を必要とする。

典型的に燃料電池に選択の燃料と酸化剤を一定の圧力で流す。圧力は一般に反応 体の供給源にて調節器で制御する。電気負荷を電極を接続する回路に置いた場合 、負荷に流れる電流に直接比例して燃料と酸化剤が消費される。

スタックから出る各々の反応体の流れは、一般にそれを湿らせるための水を含む 。スタックから出る酸化剤の流れは一般に燃料電池のカソードで発生した生成物 の水を含む。燃料電池から出る反応体の流れの１つ又は両方から抜き出した過剰 の水はセパレーター又は突き出しドラムに溜める。過剰の水はリサイクルして冷 却液として使用することができ、或いは系から排出することができる。

燃料電池で使用する反応体の１つが実質的に純粋な水素又は酸素の場合、燃料電 池のスタックから出る未消費の反応体は、廃棄物を最小限にするために再循環す ることができる。未消費の反応体から過剰の水を除去した後、再循環し、燃料電 池スタックへの入口の上流で新しい反応体の流れと一緒にする。

反応体の１つがリホーメートや空気のように希薄な反応体の場合、燃料電池スタ ックを出る反応体の流れの未消費部分は、特に燃料の流れの場合、再循環するこ とができる。ここで、特に希薄な反応体が空気の場合、燃料電池を一旦通過して 後、希薄な反応体を廃棄することが多い。反応体の未消費部分の過剰な水は一般 にセパレーターや突き出しドラムで除去し、次いで排出する。次いで反応体の流 れの未消費部分は大気に放出する。

燃料電池の生成水と冷却液の流れを一緒にし、燃料電池スタック内で電気化学的 に発生した生成水をスタックの温度を調節するために使用することは有益である 。この点に関して、冷却液としての生成水の使用は、燃料電池で発生した水はそ のものが適切な冷却流体であるため、冷却流体の別な外部の源を用意する必要が ない。

次に、水素を実質的に完全に消費するまで再循環し、酸素は空気として希薄な形 態で提供する特定の燃料電池系を考える。このような系の１つにおいて、酸素は 燃料電池を１回通過した後、酸素含有量が実質的に無くなる前に排出する。この ような系においては、反応体の利用比を決めることが有益である。

ここで、酸素利用比は、単位時面あたりに燃料電池に送った酸素成分の葺を、単 位時間あたりに燃料電池で消費された酸素成分の量で割った値と定義する。より 一般的に反応体の利用比を定義することができる。この比は、本明細書において 、単位時間あたりに燃料電池入口に送った１つの反応体の活性成分の量を、単位 時間あたりに燃料電池で消費されたその反応体の活性成分の量で割った値と定義 する。

燃料電池に供給する反応体の全体の活性成分を抜き取るにおいて固有な非能率性 を避けるために、各々の反応体の利用比は１．０よりかなり高いレベルに一般に 維持する。燃料電池の代表的な酸素利用比は約１．２〜約３．０であり、好まし くは約１．７〜約２．２であり、最も好ましくは約２゜０である。水素又は他の 燃料を再循環して完全に消費する場合、酸素利用比は、水を生成する水素との反 応で消費される酸素の化学量論量に比較して、供給される過剰酸素もまた表す。

燃料電池の電力発生装置の効率を改善する１つの方法は、選択の操作条件の燃料 電池において、反応の利用比、特に酸素利用比を最適化することである。（本発 明の範囲内において水素利用比を最適化することもできる。ここで、本発明によ って運転するような例示の態様において、過剰な水素が存在し、酸素は限られた 反応体である。これらの条件下では、本発明者らは、水素の利用比よりも酸素の 利用比を調節しようとする）。

燃料電池の酸素利用比を最適化する１つの考察は、任意の与えられた時間におけ る燃料電池の電力出力である。殆どの実際の装置において、燃料電池は、必要に よる多い又は少ない電力を提供することができるように可変の電力を有する必要 がある。したがって、効率を向上するために、燃料電池の瞬間的な電力出力にし たがって酸素利用比を最適化する要求がある。

燃料電池の酸素利用比を最適化するにおける複雑な因子は、変化する電気出力と 燃料電池の運転条件下で燃料電池を運転するために必要な電気出力の量の変化で ある。動力は通常は燃料電池の電気出力から、燃料電池装置そのもののポンプ、 制御装置、他の支援装置を運転するために転換される。この転換された動力は通 常は「寄生動力（ｐａｒａｓｉｔｉｃ　ｐｏｗｅｒ）　Ｊと称され、本明細書で も以降はこのように称する。燃料電池に寄生動力が必要なことは、燃料電池の支 援装置を運転するために必要な寄生動力を、燃料電池の総動力出力から差し引い て、燃料電池を動力とする主な負荷に供給するに有用な正味の動力を得なければ ならないため、全体の動力出力が減じられる。

燃料電池系を運転するに必要な寄生動力の量は、燃料電池の動力出力と他の運転 条件の変化とともにかなり変化する。例えば、燃料電池が必要とする正味の動力 出力の増加は、正味の動力の増加に見合う燃料電池から取り出さなければならな い寄生動力の量もまた増加させることがある。したがって、総動力需要は正味の 動力需要の増加よりも増えることがある。

高い正味動力出力の条件下で典型的なように、酸素利用比が高い場合、燃料電池 から抜き取る寄生動力の量もまた同様に高い。このことは、燃料電池に入れる前 に空気を圧縮する周囲空気を通気する燃料電池には特にあてはまる。周囲空気系 における圧縮は、一般にコンプレッサーを全体で又は部分的に（即ち、フライホ イール等によって行う）寄生動力で運転することによって行う。コンプレッサー の寄生動力の量は、圧縮した空気の圧力と質量流量に比例する。

酸素利用比が高いと、圧縮された空気の多くは、特に不活性なその窒素成分は燃 料電池に利用されない。

燃料電池の総動力出力の増加に必要な寄生動力の増加は、燃料電池の総動力出力 の増加の目的をくつがえす程に大きいことがある。

総動力出力の増加の殆どは、特定の運転条件下での寄生動力負荷の増加で失われ る。

他方で、正味の動力需要が減少した又は小さい場合、燃料電池を運転するに必要 な寄生動力負荷を減らす必要が対応して生じる。そうでなければ正味の動力需要 が減少した又は小さい場合に燃料を浪費しないように燃料電池系をうまく適合さ せることができない。

当該技術におけるもう１つの問題は、負荷電流が変化するときであっても、どの ようにして実質的に一定の出力電圧を有して燃料電池の動力発生系を提供するか である。多くの電気装置、特に直流から交流の電力に転換するインバーターは、 効率的に運転し、電圧の変化が大きい場合の損傷を避けるために、実質的に一定 な電圧を必要とする。しかしながら、図１のグラフで示すように、一定の圧力と 温度で運転する燃料電池において、負荷（即ち、出力）電流が変化すると出力電 圧も変化することがある。このことは、出力電流の変化にもかかわらず一定の電 圧を提供するような解決すべき問題の示している。

当該技術におけるもう１つの問題は、燃料電池の動力発生系における反応体ガス の質量流量と圧力を独立してかつ自動的に調節する仕方である。従来の系におい て、燃料電池と下流の装置は流れに対して固定した抵抗を有しく殆どは排出バル ブ等を手動で調節して変えることができる）、燃料電池の上流で圧力と質量流量 の両方を調節している。したがって、燃料電池内の反応体ガスの質量流量の自動 調節に独立して燃料電池内の反応体ガスの圧力を自動的に変えることは実施不可 能であった。以降で明らかにする理由により、燃料電池が電力出力における変化 に最適に応答できるように、これらの変数を独立かつ自動的に制御することがし ばしば望まれる。

したがって、本発明の目的は、種々の運転条件下の燃料電池において反応体の利 用率を最適化することである。

本発明のもう１つの目的は、負荷電流が変化するときであっても、実質的に一定 の出力電圧を有する燃料電池の動力発生系を提供することである。

本発明のさらにもう１つの目的は、実質的に一定な出力電圧を維持するために燃 料電池内の反応体ガスの圧力を制御することである。

本発明のもう１つの目的は、実質的に一定な出力電圧を維持するために、燃料電 池内の温度を制御することである。

本発明のさらにもう１−〕の目的は、特に系を低い正味動力需要レベルで運転す るときに、電力発生系に基づく燃料電池の寄生動力排出を最小限にすることであ る。

本発明のさらにもう１つの目的は、少なくとも１つの燃料電池を含む電力発生系 において、反応体ガスの圧力と質量流量を同時に調節することである。

上記の１以上の目的、又は本発明の考察から明らかになるであろうＩＩ上の目的 は、本明細書に記載の本発明によって満足される。

発明の要旨 本発明の１つの面は、燃料電池内の反応体の少なくとも１種の利用度を調節する 方法である。燃料電池の１つの考慮されたタイプにおいて、反応体ガスは酸化剤 ガスと燃料ガスである。酸化剤ガスはその反応体成分として酸素を含み、所望に より不活性成分として空気の他の成分を含む。燃料ガスは反応体成分として水素 を含み、所望により不活性成分としてリホーメート（例、天然ガスリホーメート 、メタノールリホーメート、これらの組み合わせ）の他の成分を含む。燃料電池 は各々の反応体ガスのインプットとアウトプットを有する。

この方法は、反応体ガスを反応体インプットに供給し、燃料電池についての反応 体の利用比を選択する過程を含む。この比は、単位時間あたりに燃料電池に送ら れた反応体の量を、単位時間あたり燃料電池で消費された反応体の量で割った値 として定義される。反応体の消費は一般に、燃料電池の出力電流に直接比例する 。反応体ガスの質量流量は、選択の反応体の利用比を提供するように定める。

反応体ガスの実際の質量流量は、燃料電池の反応体ガスのインプットで測定する 。反応体ガスの質量流量は、燃料電池の反応体ガスのアウトプットで流量制菌バ ルブによって調節する。燃料電池の出力電流に第１に応答し、第２に反応体ガス のインプットで測定された質量流量に応答する流量計算器が流量制御パルプを作 動させる。

この調節が、所望の反応体の利用比を提供するに適切であると定めた反応体ガス の質量流量を維持する。

本発明のもう１つの面は、電力発生系に基づく燃料電池において、出力電流の変 化にかかわらず実質的に一定な出力電圧を提供する方法である。この系は、反応 体ガスのインプットと、電圧と電流によって特徴づけられる電気出力を含む。こ の方法は、燃料電池の規定出力電圧を選択する過程、及び燃料電池の電気出力の 電圧と随意の電流を少なくとも周期的に（通常の実施では連続的）に測定する過 程を含む。燃料電池内の反応体ガスの圧力と随意の温度を、電気出力の電圧に応 答して、また随意の電流に応答して調節し、規定の電圧を実質的に維持する。

本発明の付加的な面は、電力発生系における寄生動力ドレンを最小限にする方法 である。系は、変化できる電力出力容量を有する少なくとも１つの燃料電池を含 む。燃料電池から取り出した寄生動力によって駆動するコンプレッサーにより、 燃料電池に反応体ガスを供給する。

この方法は、コンプレッサーを駆動するために電力出力から取り出す寄生動力の 量を変化させることにより、燃料電池内の反応体の利用比と圧力を一定に維持し ながら、燃料電池の出力電流が変化しており、質量流量を変化させると決めるこ とにより行う。従属的に、燃料電池の出力電流の変化に応答するために燃料電池 内の利用比を実質的に一定に維持しながら、圧力と質量流量の両方を変えること ができる。或いは、反応体の圧力、質量流量、及び利用比を、燃料電池の出力電 流の変化に応答して変えることもできる。

本発明のさらにもう１つの面は、上記の方法を実施するために特別に構成した装 置である。

本発明のさらにもう１つの面は、少なくとも１つき燃料電池を含む電力発生系に おいて、反応体ガスの圧力と質量流量の両方を同時に調節するための装置である 。この調節機械は、燃料電池への反応体インプットで所定の圧力に反応体ガスを 維持するための装置、燃料電池の電流を測定するための装置と燃料電池の反応体 インプットで反応体ガスの質量流量を測定するための装置、及び必要な質量流量 を維持するために、燃料電池電流と反応体インプットで測定した質量流量に応答 して燃料電池の反応体アウトプットで反応体ガスの質量流量を調節するための装 置を含む。

図面の簡単な説明 図１は燃料電池の電流と電圧のプロットである。２つのプロットは異なる温度と 圧力条件下での運転にそれぞれ対応する。

図２は本発明による燃料電池系の略図の流れ図である。

図３は、図２の装置に空気を供給するための本発明による空気供給によって駆動 するコンプレッサーの略図の流れ図である。

図４は、図２と３の燃料電池系を調節するために使用する制御論理を示すフロー 図である。

本発明の詳細な説明 本発明を１以上の好ましい態様に関して説明するが、本発明はこれらの態様に制 限されるものではないと理解すべきである。それとは逆に、本発明には、添付の 請求の範囲の思想と範囲に含むことができる全ての変更、改良、均等が全て含ま れる。

最初に図２に関して、電力発生系２００を基礎にする集積燃料電池は燃料電池ス タックｌＯを含む。燃料電池スタックＩＯは、それぞれ負極と正極のブスプレー ト２２と２４を含み、それに可変負荷１５２と負荷スイッチ１５４を含む回路を 電気的に接続する。燃料電池スタックｌＯの他に、集積系は、燃料（水素）回路 、酸化剤（酸素含有空気）流路、水回路を含む。燃料電池スタック１０は１９９ １年３月１５日出願の米国特許出願第０７／６７０２４５号（図１〜５と関係の 明細書）により完全に記載されており、この特許出願はその全体が本願でも参考 にして含まれる。

図２に示す系２００の燃料電池は、入口フィルター３０１とそれに関連の燃料供 給ライン１１４を有する、加圧された実質的に純粋な水素供給１１２を含む。供 給１１２から燃料インプット１１８を通る燃料の流れを可能にするため、通常は ３方バルブ１１６を設置する。或いは、バルブ１１６をシフトし、水素供給を分 離し、マフラー３０２を経由して燃料回路をガス抜きすることもできる。燃料の 流れは、先に引用した米国特許出願第０７／６７０２４５号に記載のように、ス タックｌＯの給温部で給湿し、スタックｌＯの活性部における燃料の電気的触媒 酸化に関係する。給湿した燃料の出口の流れ１２０は燃料電池スタック１０を出 て水セパレーター１２６に送られ、ここで流れ１２０から典型的に凝縮によって 水分を除去し、除去した水は溜１２８に溜める。除去した水は、周期的に溜１２ ８から水ドレンバルブ１３０、チェックバルブ１３２、ドレンライン１３４を通 って排出される。バルブ１３０は溜１２Ｂの水が所定の深さを超えたときに排出 することを許容する。バルブ１３０は典型的に溜１２８の必須成分である。

図２に示すように、水セパレーター１２６を出た除湿した燃料の流れは、戻りラ イン１４２と１５０、脱イオンフィルター１２２、チェックバルブ１５１を通っ て燃料入口流れ１１８に再循環する。流れの中に蓄積した汚れを排出するために 、ライン１４４を経てライン１４２の除湿した燃料の流れを周期的な間隔でパー ジする。このパージはパージ１４６の作動によって行い、ライン１４Ｂとマフラ ー３０３を通して除湿した燃料の流れを大気に放出する。ライン１４２の除湿し た燃料の流れはスタートアップの間に、（１）スタックｌＯの燃料の流れチャン ネルから余剰の水を排出ため、（２）ポンプ１４０をアンロードしてポンプの作 動を容易にするためにパージする。

系２００の酸化剤回路は、入口フィルター３２６を経て入口ライン１６４に導く 酸化剤供給ライン１６３を有する加圧空気供給の形態の酸化剤ガス源１６２を含 む。図２の例示の態様において、酸化剤ガス源１６２からの空気は約２０％の酸 素を含み、このため源１６２は希薄な反応体源と考えることができる。源１６２ からライン１６８の酸化剤の流れをオンオフバルブ１６６が操作する。質量流量 変換器３５８がライン１６８の酸化剤の質量流量をモニターする。酸化剤入口流 れはライン１６８を経て燃料電池スタックｌＯに入り、ここで酸化剤の流れは、 先に引用した米国特許出願第０７／６７０２４５に記載のように給温部で給湿さ れ、次いでスタック１０の活性部で燃料の電気的触媒酸化に参加する。燃料電池 スタック１０を出た酸化剤出口流れ１７０は、未反応ガスの他に給温水と、同伴 の生成水を含む。燃料電池スタックＩＯの出口のすぐ下流で酸化剤の出口流れ１ ７０の温度を熱電対で測定し、下記のようにして−、冷却液熱交換器に関係する 空気循環装置を作動させる。

燃料電池スタックｌＯを出た給湿した酸化剤の流れ１７０は、図２に示すように 、最初の水セパレーター１７４に導く。水セパレーター１７４は、吸収され同伴 する水を流れ１７０から除去する。適切なセパレーターは、ホウ珪酸ガラス繊維 とウール成分を含む合着フィルターであり、燃料ガスが通過しながらその上に水 蒸気が容易に凝縮する。

除去した水は流れ制御ニードルバルブ３０４、ライン３０５、ライン１２４を通 って溜１７６に溜まる。余剰の水は水ドレンライン１３４を通って溜１７６から 排出する。

セパレーター１７４を出た酸化剤ガスはライン３０６を経て熱交換器３０７を通 り、熱交換器３０７は酸化剤ガスを冷却し、スタックｌＯを出た冷却水に熱を移 動する（以降でさらに説明する）。酸化剤ガスが冷えると水蒸気を含有する能力 が低下する。次いで酸化剤ガスはライン３１０を経て２番目の合着フィルター３ ０８を通る。フィルター３０８は付加的な水を除去し、この水は流れ制御ニード ルバルブ３０９、ライン１２４を通って溜１７６に溜まる。

例示の態様の酸化剤は希薄な反応体であるため、この態様においては再循環しな い。その代わりに、除湿した酸化剤の流れ１７８を、可変オリフィス制御バルブ １８０とマフラーライン１８２を通して大気に放出する。バルブ１８０は系２０ ０からの酸化剤の流量を増やす又は減らすために開く又は閉じる。

酸化剤として実質的に純粋な酸素を使用する態様においては、前記の除湿した燃 料の流れ１３８の再循環と同様な仕方で除湿した酸化剤の流れ１７８を再循環で きることが理解されるであろう。

系２００の冷却液回路は、給湿した酸化剤の流れ１７０から除去して溜１７６に 溜めた水からその冷却流体を取り出す。図２に示すように、冷却液の流れ１９２ は溜１７６を出て、並列の熱交換器２１０と３１２、制御バルブ２０６、チェッ クバルブ２０８、及び空気循環装置２２２を含む熱交換器アセンブリーに水循環 ポンプによってポンプ輸送される。

空気循環装置２２２は好ましくは１以上のファンである。定常状態の運転の間、 熱交換器２１０と３１２を通して冷却水の流れ３１４を導くためにバルブ２０６ を開け、熱交換器で冷却水の流れ３１４は別の冷却用流体、好ましくは空気に熱 を伝え、冷却されたチルド水の流れ１９６を得る。

熱交換器２１０と３１２は並列に配置して流れ抵抗を下げ、ノくルブ２０６が開 いておればバルブ２０８を経てバイパスするのではなく、熱交換器に冷却水が流 れるようにする。空気循環装置２２２は、スタックｌＯを出る給湿した酸化剤の 流れの熱電対１７２で測定した温度が所定の値を超えたときに作動する。スター トアップの際、又は冷却水が所望の温度又はそれより低いその他の場合は、バル ブ２０６を閉め、実質的に流れ３１４から熱を取らずに熱交換器２１０をバイパ スし、冷却水の流れ３１４をバルブ２０８を経てチルド水の流れ１９６に流れを 変える。

図２に示すように、チルド水の流れ１９６は、脱イオンフィルター１９８、ライ ン３１６、フロースイッチ３１８、ライン３２０、水ヒーター３２２を通り、ス タックｌＯの水入口２０２へ流れる。（フロースイッチ３１８は、ライン３１６ からライン３２０に水が流れていない場合に燃料電池系２００を運転停止する。

） 水ヒーター３２２は、主としてヒタートアップのときに運転温度までスタック１ ０を迅速に昇温する、第２に別なときにスタックを最低限の運転温度に維持する ために作動する電気加熱ヒーターを含む。

スタックＩＯを出た水は、ライン２０４、熱交換器３０７、ライン３７４を経て 溜１７６に流れる。

次に図３を参照して、好ましい酸化剤ガス源１６２（図２ではブロックで示した ）を詳細に説明する。源１６２は、空気フィルター３２８によって異物の混入を 防いだ入口３２４を含む。空気フィルター３２８はコンプレッサー３３０に通じ 、コンプレッサーは、ここではモーター３３２で駆動する可変速度の一定排出量 のコンプレッサーである。モーターはモーター速度調節器３３４で制御する。モ ーター速度、したがって空気質量流量、及び圧力は、以降でより詳しく説明する 目的により、圧力調節器３４５で制御する。

圧縮空気はコンプレッサー３３０を出て、ライン３３６を経由し、レシーバ−３ ３８に入る。本発明の１つの態様において、酸化剤ガス源１６２によって提供さ れた圧力は、溜３３８からライン１６３へのアウトプットを調節するよりも、圧 力調節器３４５の整定値を変化することによって変える。圧力調節器３４５は、 圧力変換器３４４からの信号３４３に応答する閉ループの方法で、モーター速度 調節器３３４への命令信号３４７によって整定圧力を維持する。モーター速度の 変化は空気流量を変化させ、これは圧力が変化するメカニズムでもある。この態 様を用いると、溜３３８は容量が極めて適度であることができ、実質的に供給圧 力に維持される。この態様において、溜３３８の主な目的は圧縮空気の充分な貯 蔵ではなく、コンプレッサー３３０の出力圧力の瞬間的変動や、燃料電池系の需 要の変動を和らげることである。

レシーバ−圧力は、ライン３３９、圧力変換器３４４に通じる緩衝タンク３４２ 、及びマフラー３５０への排出ライン３４８を経由する空気の放出を制御する圧 力リリーフバルブ３４６を含む圧力リリーフ経路によって制約される。圧力リリ ーフバルブ３４６は、整定値以上にレシーバ−３３８の圧力が上がることを防ぐ ことが必要なときに開く。運転を止める前に空気ラインをパージすべき場合、圧 力調節器３４５からの信号によってバルブ３５４を開け、レジ−・バー３３８の 内容物を、ライン３５６　、３４８　、次いでマフラー３５０を経てパージする ことができる。

次に図４に関して、好ましい態様の制御論理を略図で示す。スタックｌＯを通る 酸化剤ガスの必要な質量流量、したがって変換器３５８を通る質量流量をフロー 計算器３４０でめる。フロー計算器３４０は第１に電流変換器３６２からの電流 信号３８１に応答し、第２に質量流量変換器３５８からの質量流量信号３８３に 応答する。

酸素利用比の計算器３４Ｋが、燃料電池の最適な運転に適切な酸素利用比を計算 し、この情報を信号３８７によってフロー計算器３４０に送る。最適な酸素利用 比（ＯＵＲ）は、代表的な条件下で運転する燃料電池を構成し、次いで最適な条 件が得られるまでＯＵＲを自動的に調節することにより、考慮された運転条件の 全範囲について実験的に決めることができる。最適条件の１つの判断基準は、唯 一の判断基準を意味するものではないが、燃料電池の所与の正味出力動力におけ る最小の寄生動力レベルである。（正味の出力動力は燃料電池の総出力動力から 寄生動力を差し引いた動力。）所望の質量流量は、フロー計算器３４０が所望の 質量流量が得られたと測定するまでフロー制御バルブ＋８０のオリフィス径を変 化させることによって実現され、維持される。その後の所望の質量流量からの全 ての偏差は質量流量変換器３５８で同様に検出され、フロー制御バルブ１８０へ の命令信号３８９により、フロー計算器３４０によって修正される。

また、図４に示す装置は、スタック１０の電気出力の電圧と電流を検出するため の電圧電位３６４と電流の変換器３６２（両方とも図２に示した）を含む。これ らのインプットは、種々のアウトプット又は負荷電流について、一定の値にスタ ックの電圧を調節するために必要な情報を提供するために使用する。

再び図１に関して、スタックの電圧を調節することを可能にする原理を示しであ る。曲線３６６は、酸化剤ガスがｉ　ｓ　ｐ、　ｓ、　ｉ、ｇ、で水素供給も＋ ５ｐ、ｓ、ｉ、ｇ、のときのスタック電圧とスタック電流の関係を示す。また、 曲線３６６は６５℃の酸化剤出力温度と２．　０の酸素利用比において得た。電 流が増加すると電圧は減少する（調節していない任意の動力供給について期待さ れるように）。曲線３６８は３゜ｐ、　ｓ、　ｉ、　ｇ、の水素圧力と酸化剤ガ ス圧力、７０°Ｃの温度、及び２．　０の酸素利用比での燃料電池の運転を示す 。

曲線３６６の条件下で、約１２５アンペアの負荷電流を約３５ボルトの電圧で供 給することができる。何らかの理由で電流が約１７５アンペアに増加し、他の全 ての条件は同じに維持された場合、電圧は約３２ボルトに降下するであろう。こ こで、空気と水素の圧力を３０ｐ、ｓ、ｉ、ｇ、に、温度を７θ°Ｃに（プロッ ト３６８の条件）に上げることによって負荷の変化に系が応答するならば、負荷 の変化や燃料電池１０の電流にかかわらず、そこで電圧は３５ボルトに維持され るであろう。

圧力は、５０アンペアよりかなり小さい又はやや大きい電流の変化に応答して、 １５ｐ、Ｓ、ｉ、ｇ、よりかなり小さく又はやや大きい増加で変化し、条件の細 かい制御又は広い範囲の制御を達成することができる。しかし、操作の原理は同 じである。

図４に戻って、前記に説明した原理をスタック１０の電圧を調節するために使用 することができる。電圧計３６４が燃料電池１０の実際の電圧を測定し、この情 報を計算器３７０に送り、計算器はデータを貯蔵して所望のスタック電圧を指示 し、計算器３７０は第２のインプットとして電流変換器３６２から実際のスタッ ク電流を受信する。計算器３７０は選択の電圧を達成するために必要なスタック 圧力を決める。

このスタック圧力は制御信号３８５によって空気源１６２に伝達し、水素供給１ １２の対応する構造に伝達する。これらの供給源は所望の圧力をスタック１０に 提供するように調節される。（この態様において、水素供給１１２は充填された 水素であり、そのアウトプット圧力は通常の調節器で制御される。） 同様に、スタックの温度は、第１に燃料電池の電圧の変化に応答して、第２に電 流の変化に応答して、燃料電池の電圧を調節するために変化させることができる 。

スタックの温度は、通常は望ましくは圧力変化に応答して、一部はガス供給の湿 度を燃料電池の運転に適切なレベルに維持するために変化させる。その結果、信 号３９１によって伝達される圧力の整定値は温度計算器３７２に伝達され、これ が所望のスタック温度整定値を決める。温度計算器３７２と熱電対１７２を含む 温度制御ループは、熱交換器２１０と３１２を通る又はその周りの冷却水を通す バルブ２０６の操作を制御する。或いは、またはこれに加えて、冷却を増強する ためにファン２２２を運転し、又は冷却を減らすために停止し、或いは熱交換器 ２１０と３１２の冷却の程度の変化に合わせてファンの速度を調節することもで きる。このようにして、所望のスタック温度を達成・維持することができる。

図３と４に関して、本発明のさらにもう１つの面は、スタックを低い又は少ない 負荷で運転するときの空気源１６２のコンプレッサーモーター３３２に取られる 寄生動力を低下する方法である。モーター３３２を全負荷又は無負荷の仕方で運 転することは一般的であり、即ち、充分な大きさのレシーバ−３３８の圧力を迅 速に補給するか、又はレシーバ−３３８の圧力が適当なときは停止する。この前 記の空気加圧の機構を、スタック電圧を調節するために酸化剤ガスの圧力を増減 する本発明と組み合わせた場合、非常に高い瞬間的寄生負荷と厳しいスタック電 圧の過渡現象とすれば、モーター３３２は時間の一部で系の充分な動力を引き出 すであろう。

本発明にしたがうと、モーター３３２の寄生負荷は連続的であるができるだけ小 さく、この理由は、負荷電流が低い場合、レシーバ−３３８の所定の圧力とした がってスタックｌＯの圧力を維持しながら、モーター３３２の速度と動力の取り 出しとしたがってコンブレーサーの速度と動力の取り出しを、反応体質量流量を 下げるように低下するためである。このように、低い動力の抜き出しにおいて系 をより効率的に運転することができる。

間欠的に運転する代わりにモーター３３２の速度を制御することは、この他の長 所もまた有する。例えば、モーター３３２の速度に割合に小さい変化を与えよう とする場合、通常のオンオフの場合と同様に容易に系を制御することができる。

モーター３３２が最初はオフであって、次にスイッチをオンにする場合、燃料電 池系から大きなスタート用電気負荷が寄生動力として取り出され、このため寄生 負荷が瞬間的に激しく増加し、系を不都合に混乱させる。作動しながらのモータ ー３３２の速度の小さな変化はスタート用負荷を生じず、このため制御が酸化剤 圧力に及んでも、寄生動力の取り出しは急激に変化しない。

圧力制御のためにモーター３３２を直接制御することの付随的利点は、レシーバ −３３８がもはや主として圧力ヘッドを蓄えるのではなく、単に圧力変動を緩和 することである。したがって、かなり小さなレシーバ−３３８で良いため、空間 、重量、装置コストの節約になる。

本発明のもう１つの特徴は、スタック１０の酸化剤ガスイップットにおける質量 流量変換器３５８のアウトプット信号、レシーバ−３３８から伝達した圧力、ス タック１０の下流のアウトプットライン１７８における可変フローバルブ１８０ は、スタックｌＯを通る酸化剤ガスの質量流量と圧力を独立して変えるために調 整することができる。

酸化剤ガスの流量をその圧力を高めずに増加すべき場合、変換器３５８が所望の 質量流量が得られたことを検出するまで流量可変バルブ１８０を開ける。質量流 量の未補償の増加は圧力の低下によって達成されるであろうが、同時にレシーバ −３３８内の圧力を変換器３４４でモニターする。

全ての圧力低下の方向への傾向は、レシーバ−３３８内の整定圧力をもとに戻す に充分なモーター３３２の速度の増加によって適合することができる。これがセ ンサー３５８によって質量流量を再び若干変化させる範囲まで、バルブ１８０は 第２の相互作用において変換器３５８によって流量をもとに戻そうとする。

系が正しく構成されている場合、圧力制御と質量流量制御の連続的な混乱は次第 に小さくなり、新しい質量流量と新しい圧力の新しい運転状態を敏速に達成する ことができる。

アナログの方法において、モーター３３２の速度変化に由来する圧力変化、又は レシーバ−３３８の中のこの他の圧力変化は質量流量を変化させずに行うことが できる（例外として、圧力変化に由来する質量流量の小さな一時的混乱を除く） 。圧力と質量流量の独立した調整は、燃料電池の変化する電流負荷を調節するた めに、燃料電池の電圧の調整と酸素利用化独立した変化を可能にする。

ＦＩＧ、　１ 補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成６年９月１３　日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１つの燃料電池、少なくとも１種の反応体成分と随意の１種以上 の不活性成分を含む前記燃料電池への反応体ガスの供給、前記燃料電池からの反 応体ガスの排出、及び電圧と電流によって特徴づけられる電気出力を含む電力発 生系における反応体ガスの使用を調節する方法であって、次の過程を含んでなる 方法：Ａ．前記燃料電池について反応体利用比を選択し、前記比は、単位時間あ たり前記反応体の供給に送った反応体成分の量を、単位時間あたり前記燃料電池 で消費された反応体成分の量で割った値と定義し、 Ｂ．選択した反応体利用比を提供することができる、燃料電池を通る反応体ガス の質量流量を定め、 Ｃ．反応体ガス供給における反応体ガスの実際の質量流量と、前記燃料電池の出 力電流を測定し、 Ｄ．出力電流と前記反応体ガス供給で測定した質量流量に応答して、前記燃料電 池の反応体ガス排出における反応体ガスの質量流量を調節し、前記定めた質量流 量を実質的に維持する。 ２．前記反応体の成分が酸素である請求の範囲第１項に記載の方法。 ３．前記反応体ガスが空気である請求の範囲第１項に記載の方法。 ４．前記反応体の成分が水素である請求の範囲第１項に記載の方法。 ５．前記反応体ガスが、水素ガス、天然ガスリホーメート、メタノールリホーメ ート、これらの組み合わせ、及びこれらの再循環物からなる群より選択された請 求の範囲第１項に記載の方法。 ６．前記燃料電池の出口で受けた反応体成分の少なくとも一部を前記燃料電池の 供給に再循環する過程をさらに含む請求の範囲第１項に記載の方法。 ７．前記燃料電池内の反応体ガスを所定の圧力に維持する過程をさらに含む請求 の範囲第１項に記載の方法。 ８、少なくとも１つの燃料電池、反応体ガスの前記燃料電池への供給、前記燃料 電池からの反応体ガスの排出、及び電圧と電流によって特徴づけられる出力を含 む電力発生系において、出力電流の変動にもかかわらず実質的に一定な出力電圧 を提供する方法であって、次の過程を含んでなる方法： Ａ．前記燃料電池について規定の出力電圧を選択し、Ｂ．前記燃料電池の電気出 力から送られる実際の電圧と随意の電流を少なくとも周期的に測定し、 Ｃ．電圧に応答し及び電気出力の電流に随意に応答して前記燃料電池内の反応体 ガスの圧力を調節し、前記規定の電圧を電気出力において実質的に維持する。 ９．電気出力の電圧と随意の電流に応答して、前記燃料電池の温度を調節する過 程をさらに含み、前記規定の電圧を電気出力において実質的に維持する請求の範 囲第８項に記載の方法。 １０．可変電力出力、燃料電池への反応体ガス供給、前記燃料電池内の反応体ガ スを加圧するために前記電力出力から取り出した寄生動力によって駆動させるコ ンプレッサーを有する少なくとも１つの燃料電池を含む電力発生系において寄生 動力の取り出しを最小限にする方法であって、次の過程を含んでなる方法：Ａ． 前記燃料電池の出力電流が変化したことを測定し、Ｂ．前記出力電流の変化に応 答して、前記燃料電池の反応体の圧力と反応体利用比を実質的に一定に維持しな がら質量流量を変化させ、それによって前記コンプレッサーをを駆動させるため に前記電力出力から取り出す前記寄生動力の量を変化させる。 １１．過程Ｂが、前記出力電流の変化に応答して、前記燃料電池の反応体の反応 体利用比を実質的に一定に維持しながら圧力と質量流量を変化させることを含み 、それによって前記コンプレッサーをを駆動させるために前記電力出力から取り 出す前記寄生動力の量を変化させる請求の範囲第１０項に記載の方法。 １２．過程Ｂが、前記出力電流の変化に応答して、前記燃料電池の反応体の圧力 、質量流量、及び反応体利用比を変化させることを含み、それによって前記コン プレッサーをを駆動させるために前記電力出力から取り出す前記寄生動力の量を 変化させる請求の範囲第１０項に記載の方法。 １３．次の構成成分を含んでなる出力電力が可変性の電力発生装置： Ａ．反応体成分と随意の不活性成分を含む反応体ガスの供給、反応体ガスの排出 、及び反応体成分を反応させて電圧と電流によって特徴づけられる出力電力を生 成するための装置を含む少なくとも１つの燃料電池、 Ｂ．所望の反応体成分の利用比を提供することができる反応体ガスの質量流量を 決定するための装置であり、前記比は単位時間あたり反応体ガスの供給に送られ た前記反応体ガスの量を、単位時間あたり前記燃料電池で消費された前記反応体 ガスの量で割った値と定義し、 Ｃ．前記燃料電池の出力電流を測定するための電流検出器であり、前記検出器は 測定した電流の信号を発生し、Ｄ．反応体ガスの質量流量を測定するための、前 記燃料電池の反応体ガス供給における質量流量検出器であり、前記質量流量検出 器は測定した質量流量の信号を発生し、 Ｅ．反応体ガスの決定した質量流量を維持するための前記燃料電池の前記反応体 ガス出口におけるパルプであり、前記パルプは前記測定した電流信号と前記測定 した質量流量信号に応答する。 １４．反応体ガスが反応体ガス出口を出るときに反応体ガスの中に水蒸気が存在 し、反応体の流れから水を回収するために前記反応体ガスの下流に提供した回収 装置をさらに含み、前記反応体ガス出口における前記パルプは前記回収装置の下 流に位置する請求の範囲第１３項に記載の電力発生装置。 １５．次の構成成分を含んでなる電圧調節式で電流可変性の電力発生装置： Ａ．電圧と電流を特徴とする電気出力と反応体ガス供給を含む少なくとも１つの 燃料電池 Ｂ．前記装置の出力電圧を所定のレベルに維持することができる、前記燃料電池 内の反応体ガスの圧力随意のを決定するために前記燃料電池の出力電圧と随意の 出力電流に応答する装置Ｃ．前記燃料電池内の反応体ガスの決定した圧力を実質 的に維持するための装置。 １６．次の構成成分を含んでなる電力出力可変性の電力発生装置：Ａ．電圧と電 流を特徴とする電気出力と反応体ガス供給を含む少なくとも１つの燃料電池 Ｂ．前記燃料電池内の反応体ガスを加圧するための、前記電力出力から取り出し た寄生電力によって駆動するコンプレッサーＣ．前記燃料電池の前記出力電流の 変化に応答して、前記燃料電池内の反応体ガスの反応体利用比、圧力、及び質量 流量の少なくとも１種を変化させ、それによって前記コンプレッサーを駆動させ るために前記電力出力から取り出す前記寄生電力の量を変化させる装置。