(57)【要約】燃料電池システム用の始動システムおよび方法を開示する。始動システムおよび方法は、始動の第１段階中に実質的に同時に燃料電池のカソード電極とアノード電極との両方に水素含有流体を供給するステップと、始動の第２段階中にカソード電極への水素含有流体の供給を停止するステップと、燃料電池の始動の第３段階でカソード電極に酸化剤を供給するステップとを含む。別の実施形態では、燃料電池システムは、隣接するアノード流動場を伴うアノード電極と、隣接するカソード流動場を伴うカソード電極と、アノード流動場に連結され、かつカソード流動場に連結可能である燃料供給装置と、燃料供給装置を制御して、燃料電池システムの始動中に、実質的に同時にアノード流動場とカソード流動場との両方に燃料を供給するように構成される制御器とを備える。
2009530771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極とカソード電極とを備える燃料電池システムの操作を始動する方法であって、
第１段階中に実質的に同時に該アノード電極および該カソード電極の両方に燃料を供給することと、
第２段階で該カソード電極への該燃料の供給を停止することと、
第３段階で該カソード電極に酸化剤を供給することと
を含む、方法。
【請求項２】
前記カソード電極への前記燃料の供給を前記停止することは、該燃料が該カソード電極の全長との接触を完了する前に、該カソード電極への該燃料の供給を停止することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記燃料電池システムは、前記アノード電極と流体連通しているアノード流動場を通って前記燃料を循環させる再循環ポンプを含み、かつ前記カソード電極と流体連通しているカソード流動場を通って該燃料を循環させるように連結可能な燃料再循環システムをさらに備えており、実質的に同時に該アノード電極と該カソード電極との両方に該燃料を供給することは、該燃料再循環システムを操作して、実質的に同時に該アノード電極と該カソード電極との両方に該燃料を供給することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料電池システムは、燃料源からある量の燃料を受け取る蓄積装置であって、前記カソード電極に該量の少なくとも一部を供給するように連結可能である、蓄積装置をさらに備えており、実質的に同時に前記アノード電極と該カソード電極との両方に該燃料を供給することは、該蓄積装置を操作して、実質的に同時に該アノード電極と該カソード電極との両方に該燃料を供給することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
カソード電極とアノード電極を備える膜電極アセンブリと、
該カソード電極と流体連通しているカソード流動場と、
該アノード電極と流体連通しているアノード流動場と、
該アノード流動場に連結され、かつ該カソード流動場に連結可能である、燃料供給装置と、
該供給装置を選択的に制御して、燃料電池システムの始動中に、実質的に同時に該カソード流動場と該アノード流動場との両方に燃料を供給するように構成される制御器と
を備える、燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御器は、前記燃料が前記カソード電極の全長との接触を完了する前に、前記カソード流動場への該燃料の前記供給を停止するようにさらに構成される、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
燃料源から前記アノード流動場に前記燃料を供給するように連結されるアノード入口と、
前記カソード流動場に流体を供給するように連結されるカソード入口と
をさらに備えており、
前記燃料供給装置は、該アノード入口と流体連通し、かつ該カソード入口と流体連通している弁を備え、前記制御器は、該弁を選択的に操作して、前記燃料電池システムの始動中に、実質的に同時に前記アノード流動場と前記カソード流動場との両方に前記燃料を供給するように構成される、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記制御器は、前記弁を選択的に操作して、前記燃料電池システムの始動の第１段階中に、実質的に同時に前記アノード流動場と前記カソード流動場との両方に前記燃料を供給するように構成されており、該制御器は、該弁を操作して、該燃料電池システムの始動の第２段階中に、該カソード流動場に該燃料を供給することを停止するようにさらに構成される、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記カソード入口に連結可能であり、かつ前記燃料電池システムの始動の第３段階中に、前記カソード流動場に酸化剤を供給するように操作可能である酸化剤源をさらに備える、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記カソード流動場に流体を供給するように連結されるカソード入口をさらに備えており、
前記燃料供給装置は、燃料源からある体積の燃料を受け取る蓄積器であって、そこへの該燃料体積の少なくとも一部を選択的に供給するようにカソード入口に連結可能である、蓄積器を備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項１１】
前記カソード流動場に酸素含有流体を供給するように連結可能な酸化剤供給装置をさらに備えており、前記制御器は、
前記燃料供給装置を選択的に制御して、前記燃料電池システムの始動の第１段階中に、実質的に同時に該カソード流動場と前記アノード流動場との両方に前記燃料を供給し、
該燃料電池システムの始動の第２段階で、該カソード流動場への該燃料の供給を停止し、
該酸化剤供給装置を操作して、該燃料電池システムの始動の第３段階で、該カソード流動場に該酸素含有流体を供給するように構成される、請求項５に記載のシステム。
【請求項１２】
前記燃料供給装置は、前記アノード流動場を通って前記燃料を循環させ、かつ前記カソード流動場に連結可能である燃料再循環ループを備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項１３】
前記燃料供給装置は、そこへ前記カソード流動場を連結するように構成される少なくとも１つの弁を備えており、前記制御器は、該弁を選択的に制御して、前記燃料電池システムの始動中に、実質的に同時に前記アノード流動場と該カソード流動場との両方に前記燃料を供給するようにさらに構成される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記制御器は、前記弁を制御して、少なくとも前記燃料電池システムの始動の第１段階に続く期間中に、前記燃料再循環ループから前記カソード流動場を流体的に分離するようにさらに構成される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記カソード流動場を通って流体を循環させる酸化剤再循環ループをさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記制御器は、前記酸化剤再循環ループを制御して、前記燃料電池システムの始動中に、実質的に同時に前記アノード流動場と前記カソード流動場との両方に前記燃料を供給するようにさらに構成される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
第１段階中に、実質的に同時に前記燃料電池のアノード電極と該燃料電池のカソード電極との両方に燃料を供給する手段と、
該第１段階に続く第２段階で、該カソード電極への該燃料の供給を停止する手段と、
第３段階で、該カソード電極に酸化剤を供給する手段と
を備える、燃料電池動力装置を始動するシステム。
【請求項１８】
前記カソード電極への前記燃料の供給を停止する手段は、該燃料が該カソード電極の全長との接触を完了する前に、該カソード電極への該燃料の供給を停止する手段を備える、請求項１７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
燃料電池は、多種多様の用途で電力を供給するために使用することができる。典型的な輸送用途は、ハイブリッド車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、大型自動車（ＨＤＶ）、および４２ボルト電気システムを伴う自動車を含む。典型的な静止用途は、電気通信システム用予備電力、連続電力供給（ＵＰＳ）、および分散発電用途を含む。
【０００２】
電気化学燃料電池は、反応物質、つまり燃料および酸化剤を変換して、電力および反応生成物を生成する。電気化学燃料電池は概して、２つの電極、つまりカソードおよびアノードの間に配置される電解質を採用する。
【背景技術】
【０００３】
電気化学燃料電池の一つの種類は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池は、概して、２つの電極間に配置される固体ポリマー電解質またはイオン交換膜を備える膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を採用する。
【０００４】
燃料電池では、ＭＥＡは典型的に、反応物質流体の流れに実質的に不浸透性である２つの導電性分離器または流体流動場のプレート間に挾入される。分離器プレートは電流コレクタの役割を果たし、ＭＥＡに対する機械的支持を提供することができる。また、分離器プレートは、経路として働いて、燃料および酸化剤流体の流れに対するアクセスをアノードおよびカソードそれぞれに提供する、その中に形成されるチャネル、溝、または同様のものを有する。また、流体経路は、燃料電池の操作中に形成される反応副生成物および消耗ガスの除去を提供する。
【０００５】
燃料電池スタックでは、典型的には直列であるが、時として並列または直列と並列との組み合わせで、複数の燃料電池が共に接続され、燃料電池システムの全体的な出力電力を増加させる。そのような配列では、所与の分離器プレートの一方の側面を、１つの電池に対するアノード分離器プレートと呼ぶことができ、プレートの他方の側面を、隣接する電池に対するカソード分離器プレートと呼ぶことができる。
【０００６】
燃料電池が長期間運転停止されていると、燃料電池のカソードおよびアノード流動場に存在するガス組成物は、典型的には、主に空気から成る。このことは、例えば、膜を通る空気のクロスオーバー、ならびに燃料電池システムのシールおよび弁における空気の漏れによる場合がある。そのような燃料電池を始動する際、水素燃料をアノード電極に添加すると、アノードに存在する空気が水素によって置き換えられるため、波頭が生じる。この波頭は、波頭の下流のカソード電位を、カソード電極の腐食の一因となり得るある値に上昇させる。
【０００７】
上記の問題を軽減するために、様々な解決法が提案されている。一部の解決法は、燃料電池の運転停止操作中に不活性ガスで流動場を浄化するステップ、またはカソード電位を制限するように燃料電池の始動中に燃料電池から電気負荷を引き出すステップを提案している。上記の問題に対処するこのような方法はしばしば、望ましくない燃料電池システムの複雑性および費用の大幅な増加を引き起こす。特許文献１は、わずか１秒、またはわずか０．０５秒ほども速く空気がアノード流動場から消去されるように、始動時に水素還元流体燃料によるアノード流動場の極めて急速な浄化を使用するステップを提案している。この解決法は、腐食効果を低減することができるが、それを排除するのに有効であることは証明されていない。
【０００８】
特許文献２は、還元流体燃料でカソード流動場を浄化するステップと、次いで、アノード流動場を通って流れるように還元流体燃料を誘導するステップと、次に、カソード流動場を通る燃料の流れを遮断して、カソード流動場を通って流れるように酸素含有酸化剤を誘導するステップと、電流が燃料電池から電気負荷へ流れるように、燃料電池に主負荷を接続するステップとを含む、燃料電池を始動するための方法を提案している。この方法は、燃料電池のカソードから燃料電池のアノードに腐食問題を切り替えるに過ぎない。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／００７６５８２（Ａ１）号明細書
【特許文献２】米国特許第６８３８１９９（Ｂ２）号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、燃料電池の始動時の電極腐食を排除する、またはさらに最小化するための解決法が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一実施形態では、燃料電池システムの操作を開始する方法は、始動過程の第１段階中に実質的に同時に燃料電池システムのアノード電極とカソード電極との両方に燃料を供給するステップと、始動過程の第２段階中にカソード電極への燃料の供給を停止するステップと、始動過程の第３段階中にカソード電極に酸化剤を供給するステップとを備える。
【００１１】
別の実施形態では、燃料電池システムは、隣接するアノード流動場を伴うアノード電極と、隣接するカソード流動場を伴うカソード電極と、アノード流動場に連結され、かつカソード流動場に連結可能である燃料供給装置と、燃料供給装置を制御して、燃料電池システムの始動中に、実質的に同時にアノード流動場とカソード流動場との両方に燃料を供給するように構成される制御器とを備える。
【００１２】
図面中、同一参照番号は、同様の要素または作用を識別する。図面中の要素のサイズおよび相対な位置は、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではない。例えば、様々な要素および角の形状は、一定の縮尺で描かれておらず、このような要素の一部は、図面の読みやすさを向上するように任意に拡大され、配置されている。さらに、描かれているような要素の特定形状は、特定要素の実際の形状に関する情報を伝達することを目的としておらず、図面中の認識を簡単にするために選択されたのみである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次の説明および添付の図面では、本発明の様々な実施形態の徹底的な理解を提供するために、ある具体的詳細を説明する。しかし、当業者であれば、このような詳細の全てがなくても本発明を実践することができることを理解するであろう。他の例では、本発明の実施形態の不必要にあいまいな説明を回避するように、燃料電池システムと関連する周知の構造を詳細に表示または説明していない。
【００１４】
文脈上他の意味に解すべき場合を除き、明細書およびそれに続く請求項の全体を通して、「備える」という言葉および、「備えた」あるいは「備えている」などのその変化形は、確定していない意味、つまり「を含むが、それに限定されない」として解釈される。
【００１５】
本明細書の全体を通した「一実施形態」または「実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性は、少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。よって、「一実施形態では」または「実施形態では」という語句が本明細書の全体を通した様々な場所で現れても、必ずしも全て同じ実施形態を指しているとは限らない。なおさらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つ以上の実施形態において任意の適切な方式で組み合わせることができる。
【００１６】
本願で提供される見出しは、便宜上に過ぎず、請求の範囲に記載されている発明の範囲または意味を解釈しない。
【００１７】
図１は、一実施形態による燃料電池システム１００を図示する。燃料電池１０２は、カソード電極１０４とアノード電極１０６との間に配置されるイオン交換膜１０８を備える。膜１０８、および電極１０４、１０６を備えるアセンブリは、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）１１０と呼ばれる。カソード電極１０４およびアノード電極１０６それぞれに隣接するカソード流動場１１２およびアノード流動場１１４は、酸化剤および燃料、または反応物質が、電極１０４、１０６と流体接触することを可能にする。流動場１１２、１１４は、上記のような分離器プレート（図示せず）内に形成されるチャネル、溝、または同様のものを備えることができる。
【００１８】
燃料電池システム１００は、カソード入口１１６およびアノード入口１１８をさらに備え、カソード流動場１１２およびアノード流動場１１４それぞれの中への酸化剤および燃料の流れの導入を可能にする。カソード出口１２０およびアノード出口１２２は、燃料電池の操作中に形成される反応副生成物および消耗流体の除去を可能にする。
【００１９】
弁１３４、１３６は、出口１２０、１２２に連結され、燃料電池１０２内の流体の圧力を調節するか、または、浄化弁として、燃料電池１０２の操作中に形成される反応副生成物および消耗流体を燃料電池１０２から放出するかのいずれかを行う。
【００２０】
燃料電池システム１００の始動操作の段階で、制御器１２７は、弁１２８、１３０、および１３２を一斉に操作して、実質的に同時に燃料源１２６からカソード電極１０４およびアノード電極１０６の両方に燃料を供給する。本発明の目的で、これは、燃料電池システムの始動操作の第１段階として定義される。しかし、制御器１２７は、本開示で説明される段階の前、後、間、またはそれと同時のいずれかで、燃料電池システムの始動中に他の作用を行ってもよいことに注意するべきである。このような作用は、例えば、いくつかある作用の中で特に、不動態化流体で電極１０４、１０６を浄化するステップ、電気負荷を燃料電池に接続するステップ、燃料電池を通って冷却流体を循環させるステップ、および加熱器を操作するステップを含んでもよい。そのような活動は詳細に説明しないが、このような、およびその他の始動作用は周知であり、当業者であれば所与の用途に対する適切な始動作用を容易に選択することが可能である。制御器１２７は、センサおよびモニタから受け取られる情報（制御器１２７に向かって指し示す矢印）を採用することができ、かつ様々な弁、スイッチ、作動装置、ソレノイド、継電器、接触器、モータ、ポンプ、ファン、送風機、圧縮機、およびその他の機器へ制御信号（制御器１２７から離れて指し示す矢印）を提供することができる。
【００２１】
弁１２８、１３０、および１３２の作動のタイミングは、いくつかある因子の中で特に、カソード流動場１１２およびアノード流動場１１４の相対的な体積、ならびに入口１１６、１１８に繋がる配管の体積などの因子に左右される場合がある。弁操作の実際のタイミングおよび順序を計算するステップは十分に、確立された原則を使用する当業者の能力の範囲内である。
【００２２】
例えば、カソード流動場１１２の体積がアノード流動場１１４の体積と等しいと仮定し、かつ弁１３０、１３２がカソード入口１１６およびアノード入口１１８の十分近くに配置されるため、弁１３０、１３２と入口１１６、１１８との間の配管の体積がわずかであると仮定すると、まず弁１２８を操作し、次いで、実質的に同時に弁１３０および１３２を操作するステップは、実質的に同時にカソード電極１０４およびアノード電極１０６の両方に燃料を供給する。
【００２３】
実質的に同時のカソード電極およびアノード電極における燃料の存在は、カソード電極とアノード電極とにおける対称状態を提供するはずであり、次に、それは高電位領域の生成を回避するはずであり、次に、それは前述の腐食問題の最小化または排除に貢献する。このことは下記でさらに詳しく説明する。
【００２４】
燃料がカソード流動場１１２に導入された後のある時期に、制御器１２７はカソード流動場１１２への燃料の供給を止める。これは、燃料電池システム１００の始動の第２段階として定義される。これは、例えば、弁１３０を閉じることによって達成することができる。この時期は、事前に定義することができるか、または燃料電池システムの操作中に制御器１２７によって計算または決定することができる。
【００２５】
一部の実施形態では、アノード流動場１１４を通る燃料の通過によって水素−空気の波頭がアノード流動場１１４から排除されると（つまり、空気が流動場から実質的に放出されるか、または波頭が存在しなくなるように、燃料ガス中に完全に混合されている）、酸化剤をカソード流動場１１２に供給することができる。これは、燃料電池システム１００の始動の第３段階として定義される。アノード電極１０６上の水素−空気の面を排除するために必要とされる時間量は、所与の燃料電池システムに対して計算することができるため、上記の様々な構成要素が所定の期間にわたって作動され得ることを十分理解するべきである。
【００２６】
酸化剤は、酸化剤源１２４によって燃料電池１０２のカソード電極１０４へ提供される。一部の実施形態では、酸化剤源１２４は、酸素タンクなどの貯蔵装置を備えてよい。他の実施形態では、酸化剤源１２４は、とりわけ、空気圧縮機または空気送風機などの能動装置を備えてもよい。一部の実施形態では、酸化剤源１２４は、フィルタ、二方弁、および／または逆止め弁などの様々な他の構成要素をさらに備えてもよい。一部の実施形態では、酸化剤源１２４は、燃料電池１０２の始動の第１段階中に、燃料が雰囲気中に逃げること、または酸化剤源１２４を汚染することを防ぐ手段を含んでもよい。例えば、燃料電池１０２に酸化剤を供給するために圧縮機を使用する実施形態では、圧縮機を低速で操作して、燃料が酸化剤源１２４に向かって移動することを抑制するか、または燃料電池１０２に進入する燃料を希釈する場合がある。
【００２７】
燃料がアノード電極１０６に存在し、かつ酸化剤がカソード電極１０４に存在すると、燃料電池１０２は外部負荷（図示せず）に電力を供給する準備ができ、始動手順が完了する。一部の実施形態では、上記の段階の一部および全体の間に、電気負荷（図示せず）を燃料電池１０２に接続して、腐食をさらに最小化するか、または燃料電池１０２のさらなる急速加熱を生成することが望ましい場合がある。
【００２８】
図２は、蓄積器２４０を含む燃料電池システム２００の実施形態を示す。この実施形態では、制御器１２７はまず、弁２２８および２４２を操作して、蓄積器２４０を燃料源２２６によって供給される燃料で満たす。十分な燃料が蓄積器２４０に蓄積されると、弁２４２を閉じる。燃料電池２０２を始動する際に、制御器１２７は、弁２３０および２３２を操作して、実質的に同時にカソード電極２０４およびアノード電極２０６の両方に燃料を供給する。次いで、残りの始動操作は、上記の操作を繰り返すことができる。
【００２９】
一部の実施形態では、始動過程中に、カソード電極に既知の量の燃料を供給することが望ましい場合がある。例えば、燃料電池２０２から雰囲気中への燃料の排出を防ぐために、燃料がカソード流動場２１２を完全に満たす前に、カソード電極２０４への燃料の供給を停止することが望ましい場合がある。したがって、示されるような蓄積器２４０を使用するステップは、カソード電極２０４に既知量の燃料を提供するために有用となり得る。
【００３０】
一部の実施形態では、始動過程中に燃料が酸化剤源２２４を汚染することを防ぐため、始動過程の一部の段階中に酸化剤源２２４をカソード流動場２１２から分離するために弁２４４を使用することができる。
【００３１】
図３は、本発明の実施形態を図示する。図３に示されるように、実質的に同時にカソード電極３０４およびアノード電極３０６の両方に燃料を供給するために再循環システム３５０を使用することができる。再循環システム３５０は、再循環ポンプ３５２を備え、通常操作中にアノード流動場３１４を通って流体を循環させる。あるいは、図３の再循環ポンプ３５２と同じ目的を達成するために他の装置を使用してもよい。例えば、一部の実施形態では、再循環ポンプ３５２は、送風機、噴射ポンプ、これらの装置の組み合わせ、または他の適切な装置に置き換えられてもよい。
【００３２】
始動時に、制御器１２７は、弁３２８を操作して、燃料源３２６から再循環ポンプ３５２に燃料を供給する。次いで、制御器１２７は、再循環ポンプ３５２、および弁３５４および３５６を操作して、実質的に同時にカソード電極３０４およびアノード電極３０６の両方に燃料を供給する。三方弁３５６を操作して、カソード出口３２０から排出される流体を再循環システム３５０内に誘導し、カソード流動場３１２およびアノード流動場３１４の両方を通って循環させる。一部の実施形態では、弁３２８を操作してシステムに燃料を供給する前に、すでに流動場３１２、３１４中にある流体の循環を開始することが望ましい場合がある。
【００３３】
一部の実施形態では、弁３２８を操作して、再循環ポンプ３５２に限られた量の燃料だけを供給することができる。例えば、弁３２８を操作して、流動場３１２、３１４に存在する空気中の水素の濃度が閾値以下（例えば、空気中の４％水素という引火性限界以下）にとどまるように、再循環ポンプ３５２に燃料の量を供給することができる。
【００３４】
上記の例と同様に、十分な燃料が流動場３１２、３１４に導入されると、弁３５４を操作して、カソード入口３１６をアノード入口３１８から流体的に分離する。弁３５６は、カソード出口３２０を再循環システム３５０から分離するように操作し、かつ、カソード流動場３１２から雰囲気中へあらゆる流体を排出するようにさらに操作することができる。次いで、弁３４４を操作して、酸化剤源３２４からカソード入口３１６に酸化剤を供給する。
【００３５】
図４は、アノード再循環システム４５０およびカソード再循環システム４６０を備える実施形態を図示する。アノード再循環システム４５０は、再循環ポンプ４５２を備え、通常操作中にアノード流動場４１４を通って流体を循環させ、カソード再循環システム４６０は、送風機４６４を備え、通常操作中にアノード流動場４１２を通って流体を循環させる。あるいは、図４に示される再循環ポンプ４５２および送風機４６４と同じ目的を達成するために他の装置を使用してもよい。例えば、一部の実施形態では、再循環ポンプ４５２および／または送風機４６４は、送風機、噴射ポンプ、これらの装置の組み合わせ、または他の適切な装置に置き換えられてもよい。
【００３６】
始動時に、制御器１２７は、弁４２８を操作して、燃料源４２６から弁４３２、４５４に燃料を供給する。次いで、制御器１２７は、弁４３２、４５４、再循環ポンプ４５２、および送風機４６４を操作して、実質的に同時にカソード電極４０４およびアノード電極４０６の両方に燃料を供給する。
【００３７】
一部の実施形態では、弁４３２、４５４を操作して燃料電池４０２に燃料を供給する前に、すでに流動場４１２、４１４中にある流体の循環を開始することが望ましい場合がある。一部の実施形態では、再循環ポンプ４５２および送風機４６４を異なる速度で操作して、再循環システム４５０、４６０中の液体の再循環の速度を変えることが望ましい場合がある。
【００３８】
一部の実施形態では、弁４３２、４５４を操作して、アノード流動場４１４およびカソード流動場４１２のいずれか、または両方に限られた量の燃料だけを供給することができる。例えば、弁４３２、４５４を操作して、流動場４１２、４１４に存在する空気中の水素の濃度が閾値以下（例えば、空気中の４％水素という引火性限界以下）にとどまるように、流動場４１２、４１４に燃料の量を供給することができる。
【００３９】
上記の例と同様に、十分な燃料が流動場４１２、４１４に導入されると、弁４５４を操作して、カソード入口４１６をアノード入口４１８から流体的に分離することができる。
【００４０】
次いで、三方弁４６６を操作して、酸化剤源４２４から送風機４６４に酸化剤を供給する。
【００４１】
弁１３４、１３６を操作して、必要に応じて流動場４１２、４１４から雰囲気中へあらゆる流体を排出する。弁１３４、１３６は、流動場４１２、４１４中の流体の圧力を調節するためにも使用することができる。
【００４２】
三方弁４６６を操作して、カソード再循環システム４６０を通って再循環される流体の割合、および酸化剤源４２４からシステムへ導入される流体の割合を変えることができる。
【００４３】
図５は、多数の燃料電池５０２を備える燃料電池スタック５６０を図示する。燃料電池スタックは、典型的に、燃料入口ヘッダ５６２、燃料出口ヘッダ５６４、および対応する酸化剤入口および出口ヘッダ（図示せず）を備える。燃料入口ヘッダ５６２は、燃料電池５０２のそれぞれへ流体を提供する。燃料は、典型的に、外部源から燃料入口ヘッダ５６２の単一部分へ導入されるため（例えば、図５の５６６で）、点線５６８によって示されるような燃料分布が存在する場合がある。例えば、燃料が燃料導入点５６６から最も遠い燃料電池５０２に進入し始める時に、燃料導入点５６６に最も近い燃料電池５０２は、２５％満たされる場合がある。燃料分布５６８は、燃料電池スタック５６０内のヘッダ５６２、５６４、ならびに流動場の設計に大きく影響される。したがって、一部の実施形態では、始動時に、燃料が実質的に同時に個々の燃料電池のカソードおよびアノード流動場に進入するような方法で、燃料ヘッダ、酸化剤ヘッダ、流動場、および図１〜４に示される様々な構成要素の制御を設計することが望ましい。
【００４４】
図６は、燃料電池６０２のカソード流動場６１２およびアノード流動場６１４に存在する水素−空気の波頭６７０の予期される挙動を示す。領域１（６７２）は、空気がＭＥＡ６１０の両側の流動場６１２、６１４に存在する領域を表す。領域２（６７４）は、水素が一方の電極上に存在し、空気が他方の電極上に存在する領域（つまり、波頭６７０の間の領域）を表す。領域３（６７６）は、水素がＭＥＡ６１０の両側に存在する領域を表す。６７８で発生するプロトン移動によって、領域２（６７４）で確立される電流は、電荷の中立性を維持するアノード電極６０６へ戻るプロトン移動６８０によって、領域３（６７６）内で確立される逆の電流によって平衡を保たれるはずである。カソード電極６０４からアノード電極６０６へのこの水素の噴出は、大きい電池電圧の集積を防ぐはずであり、次に、それはこの機構による腐食を最小化または排除するはずである。
【００４５】
図６で見ることができるように、したがって、理論に制約されずに、水素−空気の波頭を同時にカソード流動場６１２およびアノード流動場６１４の両方に存在させることによって、電極腐食を最小化することが可能であると予測される。電極腐食は、典型的に、水素−空気の波頭の反対の電極で発生し、水素−空気の波頭を両方の電極に存在させることによって、電極腐食を最小化することができる逆の電流を生成することができる。
【００４６】
一部の実施形態では、水素−空気の波頭は、同時には流動場６１２、６１４を通って進まない。さらなる実施形態では、一方の流動場での波頭の形成と反対の流動場での波頭の形成との間に遅延がある場合がある。
【００４７】
したがって、本願および添付の請求項で使用されるように、実質的に同時に両方の流動場に燃料を供給するステップは、ある時期に水素−空気の波頭が両方の流動場内に存在するように、両方の流動場に燃料を供給するステップとして定義される。
【００４８】
本発明の目的で適切な燃料は、水素含有流体を備える。燃料は、例えば、実質的に純水素ガス、リフォーメイトなどの富水素流体、メタノール、または水素を含有する他の適切な化合物を備え得る。
【００４９】
図７は、カソード流動場７１２への燃料の供給が停止した後の段階で、酸化剤（この場合は空気）がカソード流動場７１２に導入される場合の、燃料電池の予期される挙動を示す。領域４（７８２）は、水素がＭＥＡ７１０の両側に存在する領域を表す。領域４（７８２）では、矢印７８０によって描かれるように、アノード流動場７１４内への水素の噴出によって、カソード流動場７１２中の残りの水素が回復される。領域５（７８４）は、カソードへの燃料の供給が停止した後に導入される、カソード流動場７１２中の酸化剤（この場合は空気）を表す。一部の実施形態では、アノード流動場７１４が燃料で完全に満たされた（つまり、アノード流動場７１４中に水素−酸素の波頭が存在しない）後に、酸化剤がカソード流動場７１２に導入されるのみである。領域５（７８４）では、プロトンがアノード電極７０６からカソード電極７０４へ移動し、矢印７７８によって表される。これは、燃料電池７０２の通常の電気を生産する操作を表す。アノード流動場７１４が燃料で実質的に満たされ、カソード流動場７１２が酸化剤で実質的に満たされると、燃料電池７０２は通常の操作の準備ができ、つまり、燃料電池７０２は、負荷（図示せず）に電力を供給する準備ができる。
【００５０】
前述の詳細な説明は、ブロック図、概略図、および実施例の使用を介して、装置および／または過程の様々な実施形態を説明している。そのようなブロック図、概略図、および実施例が１つ以上の機能および／または操作を含有する限りにおいて、当業者であれば、幅広いハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはそれらの事実上あらゆる組み合わせによって、そのようなブロック図、概略図、および実施例内の各機能および／または操作を個別および／または集合的に実施することが可能であることを理解するであろう。一実施形態では、本主題の部分は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を介して実施することができる。しかし、当業者であれば、本願で開示される実施形態は、全体的または部分的に、１つ以上のコンピュータで作動する１つ以上のコンピュータプログラム（例えば、１つ以上のコンピュータシステムで作動する１つ以上のプログラム）として、１つ以上の制御器（例えば、マイクロコントローラ）で作動する１つ以上のプログラムとして、１つ以上のプロセッサで作動する１つ以上のプログラムとして、ファームウェアとして、またはそれらの事実上あらゆる組み合わせとして、標準集積回路において同等に実施することが可能であり、回路を設計するステップおよび／またはソフトウェアおよび／またはファームウェア用のコードを書くステップは、本開示に照らして十分に当業者の範囲内となることを認識するであろう。
【００５１】
また、当業者であれば、本願で教示される方法および制御機構は、種々の形態のプログラム製品として配布することが可能であり、具体的実施形態は、実際に配布を実行するために使用される信号保持媒体の特定種類にかかわらず、平等に該当することを十分理解するであろう。信号保持媒体の例は、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクドライブ、ＣＤ  ＲＯＭ、デジタルテープ、およびコンピュータメモリなどの記録可能型媒体、およびＴＤＭまたはＩＰによる通信リンク（例えば、パケットリンク）を使用するデジタルおよびアナログ通信リンクなどの伝送型媒体を含むが、それらに限定されない。
【００５２】
燃料電池システムおよび方法の具体的実施形態および実施例は、例証の目的で本願において説明されるが、当業者によって認識されるように、本開示の精神および範囲を逸脱することなく、様々な同等の改良を行うことが可能である。
【００５３】
例えば、当業者であれば、本願で開示される実施形態は、全体的または部分的に、多種多様の標準構成要素および回路を使用して同等に実施することが可能であることを認識するであろう。例えば、三方弁は２つの二方弁に置き換えられてよい。二方弁は、逆止弁または同様の目的を果たすために選ばれるその他の装置に置き換えられてよい。回路および／またはハードウェアおよび／または制御戦略を設計するステップは、本開示に照らして十分に当業者の範囲内となる。
【００５４】
上記の様々な実施形態を組み合わせて、さらなる実施形態を提供することが可能である。
【００５５】
上記の詳細な説明に照らして、このような、およびその他の変更を本発明に行うことが可能である。一般に、次の請求項では、使用される用語は、発明を本明細書で開示される具体的実施形態に限定すると解釈されるべきではないが、あらゆる燃料電池システムを含むと解釈されるべきである。したがって、本発明は本開示によって限定されないが、代わりに、その範囲は完全に次の請求項によって決定される。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１は、燃料電池のアノード入口およびカソード入口の両方に連結される弁を備える本発明の実施形態を図示する概略図である。
【図２】図２は、燃料電池のアノード入口およびカソード入口の両方に連結される容器を示す実施形態を図示する概略図である。
【図３】図３は、燃料電池のアノードおよびカソードの両方に連結される再循環システムを使用する実施形態を図示する概略図である。
【図４】図４は、燃料電池に連結される燃料再循環システムおよび酸化剤再循環システムの両方を使用する実施形態を図示する概略図である。
【図５】図５は、始動中に燃料電池スタックを通る典型的な燃料分布を示す概略図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態の実施から発生する、考えられる水素−空気の波頭を図示する概略図である。
【図７】図７は、カソード内に燃料含有流体を供給した後に、燃料電池のカソードに酸化剤を導入するステップの考えられる効果を図示する概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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