(57)【要約】複数の燃料電池を有し、各々が、アノードおよびカソードチャネルそれぞれを形成するアノードおよびカソード流界板間に挿入される膜電極アセンブリを含む、燃料電池スタックが提供される。蓄積装置は、該燃料電池スタックの下流に位置付けられる。パージ制御装置は、アノードおよびカソードチャネル間の流体連通を可能にする第１の状態、および蓄積装置から酸化剤出口を分離する第２の状態で動作可能な該蓄積装置の下流に位置付けられる。一部の実施形態は、アノードチャネルと蓄積装置との間にパージ制御装置を含む。燃料電池スタックの操作の方法は、最初に燃料電池スタックから蓄積装置内への流体を選択的にパージするステップと、１回目の後の２回目に、蓄積装置からの流体を選択的にパージするステップとを含む。
2009526367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池であって、各燃料電池は、
アノード電極層とカソード電極層との間に挿入されるイオン交換膜を有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、
該ＭＥＡの第１の側面に隣接するアノード流界板であって、該ＭＥＡの該第１の側面の少なくとも一部に水素含有燃料を誘導するように構成される、アノード流界板と、
該ＭＥＡの第２の側面に隣接するカソード流界板であって、該ＭＥＡの該第２の側面の少なくとも一部に酸化剤を誘導するように構成される、カソード流界板と
を備えている、複数の燃料電池と、
該燃料電池スタックの下流に配置され、それと流体連通している少なくとも１つの蓄積装置であって、流体を蓄積および分注するよう作動する、蓄積装置と、
該燃料電池スタックの下流に配置される酸化剤出口と、
該蓄積装置の下流に配置される第１のパージ制御装置であって、該アノード流界板の少なくとも一部と該カソード流界板の少なくとも一部との間の流体連通を可能にする第１の状態で動作可能であり、かつ該蓄積装置から該酸化剤出口を分離する第２の状態で動作可能である第１のパージ制御装置と
を備える、電気化学システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの上流に配置され、かつ燃料供給源から該燃料電池の前記アノード電極層への前記水素含有燃料の流速を選択的に制御するように構成される第１の流量制御装置と、
該燃料電池スタックの上流に配置され、酸化剤供給源から該燃料電池の前記カソード電極層への前記酸化剤の流速を選択的に制御するように構成される第２の流量制御装置と
をさらに備える、請求項１に記載の電気化学システム。
【請求項３】
前記蓄積装置に近接して配置され、かつ前記第１および第２の流量制御装置のうちの少なくとも１つに電気的に接続された少なくとも１つのセンサであって、前記燃料電池スタックの下流の水素および酸素のうちの少なくとも１つの濃度を測定し、かつ該水素濃度および該酸素濃度のうちの少なくとも１つの表示を、該第１および該第２の流量制御装置のうちの少なくとも１つに電気的に伝達して、前記水素含有燃料および前記酸化剤のうちの少なくとも１つの流速を制御するよう作動する、少なくとも１つのセンサをさらに備える、請求項２に記載の電気化学システム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの蓄積装置は、前記燃料電池スタックの横断圧力、並びに前記水素含有燃料および前記酸化剤のうちの少なくとも１つの供給流速のうちの少なくとも１つを維持するように作動する隔膜を含み、該隔膜は、前記カソードチャネルの圧力の減少に応じて、前記アノード電極層と流体連通している前記蓄積装置の容積を増加させるよう構成されるバイアス圧力装置を含む、請求項１に記載の電気化学システム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの蓄積装置は、ガス吸収物質をさらに備える、請求項１に記載の電気化学システム。
【請求項６】
前記少なくとも１つの蓄積装置は、酸化剤と反応すると酸化および還元のうちの少なくとも１つが可能な物質をさらに備える、請求項１に記載の電気化学システム。
【請求項７】
前記パージ制御装置の上流にあり、燃料流の一部および酸化剤流の一部の少なくとも１つを再循環させるよう作動する、少なくとも１つの再循環ラインをさらに備える、請求項１に記載の電気化学システム。
【請求項８】
前記燃料流の一部および前記酸化剤流の一部の前記再循環を促進するよう作動する装置をさらに備える、請求項７に記載の電気化学システム。
【請求項９】
前記蓄積装置は、少なくとも２つのガスを反応させるための少なくとも１つの触媒を含む、請求項７に記載の電気化学システム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの蓄積装置は、プラグ流装置と、スプリングおよびアクチュエータのうちの少なくとも１つを備える付勢部材とのうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載の電気化学システム。
【請求項１１】
前記アノードチャネルの下流および前記蓄積装置の上流に配置される第２のパージ制御装置であって、該アノードチャネルと該蓄積装置との間の流体の流れを制御するよう構成されている、第２のパージ制御装置をさらに備える、請求項１に記載の電気化学システム。
【請求項１２】
燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池を有する電気化学システムの動作を中止する方法であって、各燃料電池は、前記アノード電極層と前記カソード電極層との間に挿入されるイオン交換膜を有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、該アノード電極層に隣接して配置されるアノード流界板であって、燃料供給源から該アノード電極層の一部へ水素含有燃料を誘導するよう構成される、アノード流界板と、該カソード電極層に隣接して配置されるカソード流界板であって、酸化剤供給源から該カソード電極層の一部へ酸化剤を誘導するよう構成される、カソード流界板と、該アノード電極層および該カソード電極層のうちの少なくとも１つの少なくとも一部と流体連通している少なくとも１つの蓄積装置とを備え、
該燃料電池スタックから主負荷を切断するステップと、
該切断された燃料電池スタックへの該燃料の供給を終了させるステップと、
該燃料の供給を終了させた後に、該切断された燃料電池スタック中の空気から酸素を実質的に消費して、その中に酸素欠乏空気を形成するステップと、
該蓄積装置から該アノード電極層のうちの少なくとも１つの少なくとも一部に水素および窒素のうちの少なくとも１つを提供するステップと
を包含する、方法。
【請求項１３】
前記蓄積装置は、プラグ流装置であり、かつ前記方法は、それぞれ前記プラグ流装置の中にかつそこから、水素、酸素および窒素のうちの少なくとも１つを受動的に蓄積および分注するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記蓄積装置は、酸素と反応すると酸化または還元することが可能な物質を備え、前記方法は、該物質を該蓄積装置に引かれる酸素と反応させるステップをさらに包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記蓄積装置は、前記カソードチャネルの圧力の減少に応じて、前記アノードチャネルと流体連通している該蓄積装置の容積を増加させるよう構成されるバイアス圧力装置を含む隔膜を備える、請求項１２に記載の方法であって、
該蓄積装置の該容積を調整することにより、該バイアス圧力装置の位置に応じて、前記燃料電池スタックの横断圧力を維持するステップをさらに含む、方法。
【請求項１６】
前記電気化学システムは、前記燃料電池スタックの下流にあり、該燃料電池スタックおよび前記蓄積装置と流体連通している少なくとも１つの流量制御装置をさらに備える、請求項１２に記載の方法であって、
該燃料電池スタック中の空気中の酸素を実質的に消費する前またはその間に、アノード圧力が該燃料電池スタックのカソード圧力以下である場合に、該少なくとも１つの流量制御装置を開くステップをさらに含む、方法。
【請求項１７】
補助負荷を前記切断された燃料電池スタックに接続して、その中の空気中の酸素を消費するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記電気化学システムは、前記蓄積装置の上流にあり、燃料流の一部および酸化剤流の一部のうちの少なくとも１つを再循環させるよう作動する再循環ラインをさらに備える、請求項１２に記載の方法であって、
前記燃料流の前記一部および前記酸化剤流の前記一部のうちの少なくとも１つを再循環させるステップをさらに含む、方法。
【請求項１９】
水素および酸素のうちの少なくとも１つの濃度を検出するステップと、前記水素濃度および前記酸素濃度のうちの前記少なくとも１つの表示を、前記少なくとも１つの流量制御装置へ伝達するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池を有する電気化学システムの操作の方法であって、各燃料電池は、アノード電極層とカソード電極層との間に挿入されるイオン交換膜を有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、該アノード電極層に隣接して配置され、該アノード電極層へ水素含有燃料を誘導するよう構成されるアノード流界板と、該カソード電極層に隣接して配置され、該カソード電極層へ酸化剤を誘導するよう構成されるカソード流界板と、該燃料電池スタックの下流に配置される少なくとも１つの蓄積装置と、該燃料電池スタックの上流に配置されるカソード入口と、該燃料電池スタックの下流に配置される酸化剤出口と、該蓄積装置の下流に配置され、該アノード流界板と該カソード流界板との間の流体連通を可能にする第１の状態、および該蓄積装置から該酸化剤出口を分離する第２の状態において動作可能な第１のパージ制御装置と、該燃料電池スタックと該蓄積装置との間に配置され、該アノード流界板と該蓄積装置との間の流体連通を可能にする第１の状態、および該アノード流界板と該蓄積装置との間の流体連通を中止する第２の状態において動作可能な第２のパージ制御装置とを備えており、該方法は、
燃料電池スタックパージ状態を検出すると、該第１の状態において動作して該アノード流界板から該蓄積装置への流体をパージするために、第１回目に該第２のパージ制御装置を開くステップと、
該第２の状態において動作するために、該第２のパージ制御装置を閉じるステップと、
蓄積装置パージ状態を検出すると、該第１回目の後の第２回目に、該第１のパージ制御装置を開いて、該蓄積装置から周辺環境および該カソード入口のうちの少なくとも１つへ流体をパージすることにより、蓄積装置パージを実行するステップと
を含む、方法。
【請求項２１】
前記燃料電池スタックの少なくとも１つの動作パラメータの大きさを検出するステップと、
該燃料電池スタックの該少なくとも１つの動作パラメータの該大きさをその第１の閾値の大きさと比較して、該燃料電池スタックパージ状態の存在を判定するステップと、
該燃料電池スタックの該少なくとも１つの動作パラメータの該大きさが、該第１の閾値の大きさとほぼ同一であるか、または上回る場合に、燃料電池スタックパージを開始するステップと
をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの動作パラメータは、水素、酸素および窒素のうちの少なくとも１つの濃度、圧力および温度のうちの少なくとも１つを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの動作パラメータは、前記アノード流界板、アノード再循環ライン、燃料源と前記燃料電池スタックとの間に配置されるアノード燃料入口、および該燃料電池スタックと前記蓄積装置との間に配置されるアノード燃料出口のうちの少なくとも１つに近接して検出される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記蓄積装置、前記第１のパージ制御装置、および前記第２のパージ制御装置のうちの少なくとも１つに近接する該蓄積装置の少なくとも１つの動作パラメータの大きさを検出するステップと、
該蓄積装置の該少なくとも１つの動作パラメータの該大きさを第２の閾値の大きさと比較して、前記蓄積装置パージ状態の存在を判定するステップと、
該蓄積装置の該少なくとも１つの動作パラメータの該大きさが、該第２の閾値の大きさとほぼ同一であるか、または上回る場合に、蓄積装置パージを開始するステップと
をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの動作パラメータは、水素、酸素、および窒素のうちの少なくとも１つの濃度、圧力、および温度のうちの少なくとも１つを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
第１の閾値の時間の経過を検出すると、前記燃料スタックパージを開始するステップと、
第２の閾値の時間の経過を検出すると、前記蓄積装置パージを開始するステップと
をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
前記燃料電池スタックから主負荷を引き出すステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２８】
燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池を有する電気化学システムの操作の方法であって、各燃料電池は、アノード電極層とカソード電極層との間に挿入されるイオン交換膜を有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、該アノード電極層に隣接して配置され、該アノード電極層へ水素含有燃料を誘導するよう構成されるアノード流界板と、該カソード電極層に隣接して配置され、該カソード電極層へ酸化剤を誘導するよう構成されるカソード流界板と、該燃料電池スタックの下流に配置される少なくとも１つの蓄積装置と、該燃料電池スタックと該蓄積装置との間に配置され、該アノード流界板と該蓄積装置との間の流体連通を可能にする第１の状態、および該アノード流界板と該蓄積装置との間の流体連通を中止する第２の状態において動作可能であるパージ制御装置とを備えており、該方法は、
該燃料電池スタックに印加される負荷の増加、および該燃料電池スタック中の該酸化剤の圧力および濃度のうちの少なくとも１つの大きさの増加を検出するステップと、
該第２の状態において動作し、該燃料電池スタック中の該水素含有燃料の圧力および濃度のうちの少なくとも１つを増加させ、かつ該燃料電池スタックの圧力差のバランスをとるために、該パージ制御装置を閉じるステップと
を含む、方法。
【請求項２９】
燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池を有する電気化学システムの操作の方法であって、各燃料電池は、アノード電極層とカソード電極層との間に挿入されるイオン交換膜を有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、該アノード電極層に隣接して配置され、該アノード電極層へ水素含有燃料を誘導するよう構成されるアノード流界板と、該カソード電極層に隣接して配置され、該カソード電極層へ酸化剤を誘導するよう構成されるカソード流界板と、該燃料電池スタックの下流に配置される少なくとも１つの蓄積装置と、該燃料電池スタックと該蓄積装置との間に配置され、該アノード流界板と該蓄積装置との間の流体連通を可能にする第１の状態、および該アノード流界板と該蓄積装置との間の流体連通を中止する第２の状態において動作可能であるパージ制御装置とを備えており、該方法は、
該燃料電池スタックに印加される負荷の増加、および該燃料電池スタック中の該酸化剤の圧力および濃度のうちの少なくとも１つの大きさの減少を検出するステップと、
該第１の状態において動作することにより、該燃料電池スタック内への該水素含有燃料の圧力および濃度のうちの少なくとも１つを減少させ、かつ該燃料電池スタックの圧力差のバランスをとるために、該パージ制御装置を開くステップと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本出願は、２００６年２月７日出願の米国仮特許出願第６０／＿＿＿＿＿＿号）（以前は米国特許出願第１１／３５０２６３号であって、２００７年１月１７日の請求により仮出願に変更）の米国特許法１１９条（e）項の利益を主張するものであり、この出願は、その全体を参考として本明細書に援用される。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、燃料電池または電解槽電池またはそのような電池のスタックなどの、イオン交換膜を有する電気化学エネルギ変換器に関し、より具体的には、それらを使用して腐食を防ぐためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
（関連技術の記述）
プロトン交換膜（ＰＥＭ）などのイオン交換膜を備える電気化学燃料電池は、燃料および酸化剤が燃料電池電極で電気化学的に転換されて電力を生じる燃料電池として、または外部電流が、典型的に水を通って燃料電池電極間を通過し、各電極において水素および酸素の生成をもたらす電解槽として操作することができる。図１〜４は集合的に、従来の膜電極アセンブリ５、ＰＥＭ２を備える電気化学燃料電池１０、そのような燃料電池のスタック１００、および燃料電池システム４００の典型的な設計を図示する。
【０００４】
各燃料電池１０は、図１の分解図に図示されるもののような膜電極アセンブリ（「ＭＥＡ」）５を備える。ＭＥＡ５は、典型的に多孔性かつ導電性である第１および第２の電極層１、３の間に挿入されるＰＥＭ２を備え、それぞれは、所望の電気化学反応を推進するためにＰＥＭ２とのその境界面に電気触媒を備える。電気触媒は概して、燃料電池の電気化学的に活性な領域を画定する。ＭＥＡ５は典型的に、接着された積層アセンブリとして強化される。
【０００５】
図２の分解図で図示される一個の燃料電池１０では、ＭＥＡ５は、典型的に流体不浸透性かつ導電性である第１および第２の分離板１１、１２の間に挿入される。分離板１１、１２はグラファイトなどの非金属、特定等級の鋼または表面処理金属などの金属、または導電性プラスチック複合材物質から製造される。
【０００６】
通路またはチャンバなどの流体流動空間は、分離板１１、１２と隣接する電極層１、３との間に提供され、電極層への反応物質のアクセスおよび生成物の除去を容易にする。そのような空間は、例えば、分離板１１、１２と対応する電極層１、３との間のスペーサを用いて、または分離板１１、１２と対応する電極層１、３との間の網目または多孔性流体流動層の提供によって、提供され得る。より一般的には、チャネルまたは流れ場は、電極層１、３と向かい合う分離板１１、１２の表面上に形成される。そのようなチャネルを備える分離板１１、１２は一般的に、流体流動界板と呼ばれる。従来の燃料電池１０では、弾力性ガスケットまたはシールは典型的に、ＭＥＡ５の面と分離板１１、１２のそれぞれとの間の流れ場の周囲に提供され、液体反応物質および生成物の流れの漏出を防ぐ。
【０００７】
時としてＰＥＭ燃料電池と呼ばれる、ＰＥＭ２などのイオン交換膜を有する電気化学燃料電池１０は有利に積み重ねられて、第１および第２の端板１７、１８間に配置される複数の燃料電池を備えるスタック１００（図３参照）を形成する。圧縮機構は典型的に、燃料電池１０をしっかりと共に保持するため、部品間の良好な電気接触を維持するため、およびシールを圧縮するために採用される。図２に図示されるように、各燃料電池１０は、ＭＥＡ５毎に２つの分離板を伴う構成において、一対の分離板１１、１２を備える。冷却空間または層は、スタック１００内の隣接する一対の分離板１１、１２の一部または全ての間に提供することができる。代替的構成（図示せず）においては、単一の分離板、つまり「バイポーラ板」は、１つの燃料電池のカソードおよび隣接する燃料電池のアノードに接触する一対のＭＥＡ５の間に挿入され、それによってスタック１００内のＭＥＡ５毎に１つだけの分離板が存在する（末端電池を除く）。そのようなスタック１００は、それぞれの隣接した一対の燃料電池の間よりもむしろ、積み重ねのいくつかの燃料電池１０ごとの間に挿入される冷却槽を備えることができる。
【０００８】
図示された燃料電池要素は、その中に開口部３０が形成されており、積み重ねられたアセンブリにおいて、整列することにより、反応物質および生成物それぞれの供給および排出用の、および冷却空間が提供される場合は冷媒用の流体多岐管を形成する。再度、弾力性ガスケットまたはシールが、典型的には、ＭＥＡ５の面とこれらの流体多岐管開口部３０の周囲の分離板１１、１２のそれぞれとの間に提供され、動作スタック１００内の流体の流れの漏出および混合を防ぐ。
【０００９】
電気化学燃料電池５および／またはスタック１００を含む電気化学システムまたは器具の商業的実用化は、場合によっては、起動または運転停止またはその両方の際のスタックの腐食によって妨害されることがある。図４は、燃料電池スタック１００を含む燃料電池システム４００を図示する。起動時、空気はスタック１００のアノードチャネル４０２に存在し得る。水素が起動時にスタック入口に供給され、アノードチャネル４０２の下流部に空気、および上流部に水素がある間、腐食が発生し得る。この腐食イベントの持続時間は、水素最前部をより高速でスタック１００を通過させることによって、最小限化または削減することが可能である。したがって、複数の方法がスタック内の腐食を軽減するために開発されている。
【００１０】
概して自動車システムに適用可能な、起動腐食を軽減する１つの方法では、アノード再利用送風機を使用することにより、アノード出口から、カソードチャンバからアノードチャンバへ拡散する過剰な燃料および／または窒素などの不活性流体の除去を促進し、入口へそれらを戻す。別の方法では、大型パージ弁が、アノードチャンバ内の過剰な燃料および／または不活性流体が除去されることを可能にする。しかし、これらの方法は障害を抱えている。例えば、アノード再利用送風機は費用がかかり、概して信頼性が低いので、それらの使用が高価になり、結果が予測不可能となる。大型パージ弁はかさばり、同様に高価であり、自動車などの限られた空間での使用に付加的な問題を生じる。加えて、大型パージ弁は、燃料ならびに窒素などの不活性流体を排出する可能性がある。
【００１１】
腐食がスタック１００内に生じる付加的な機会は、スタック１００の運転停止中に存在する。運転停止後、水素などの燃料は膜４０６にわたる拡散によって、各燃料電池のアノードチャンバから流出し、同じ燃料電池のカソードチャンバ内で消費される。そしてアノード圧力は低下し、ＭＥＡ５中の開口部またはチャネルを通して、または漏出口を通して空気を吸収し得る。この空気は、スタック１００の起動時に、燃料電池１０の要素またはスタック１００のアセンブリ部品またはその両方を腐食し得る。運転停止中または後における腐食を軽減するための、以前に提案された解決方法は、さらなる水素をアノードチャネル４０２に導入するステップ、またはスタック１００内への空気の漏出を回避しようとするステップを含む。しかし、電気化学システムまたは器具の操作のために使用されていない、水素などの過剰な燃料を使用すると、燃料の費用的無駄をもたらす。また、漏出を防ぐための努力にもかかわらず、あらゆる用途におけるあらゆる漏出を完全に回避することは可能ではない。
【００１２】
燃料電池の商業的実用化もまた、燃料効率および水素放出にますます依存している。既存の解決法は、典型的に不明確な流量制御と、水滴および粒子汚れの問題を呈する、単一ソレノイドパージ弁を含む。複数のパージ弁配列は逆に、さらに高価で、複雑な配置を有する。その他の解決法は、燃料噴射器と同様に動作する制御弁を含むが、このような弁は、さらなる電力を必要とし、概して制御が複雑である。計量装置も使用されるが、このような装置は漏出を経験する傾向があり、概して費用がかかる。さらにその他の解決法は、水滴または粒子汚れの影響を受けやすい小開口部を有する流動制限器が伴う、より大型の弁開口部を含む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
費用効率が高く、小型で、信頼性のあるシステムおよび／または方法は、電気化学燃料電池および燃料電池スタック内の起動、運転停止、および負荷過渡状態における腐食形成を防ぎ、燃料電池スタックからの流体のパージの改良された制御を提供するために必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
一実施形態によれば、電気化学システムは、燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池を備え、各燃料電池は、アノード電極層とカソード電極層との間に挿入されるイオン交換膜を有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、ＭＥＡの第１の側面に隣接するアノード流界板であって、ＭＥＡの第１の側面の少なくとも一部へ水素含有燃料を誘導するよう構成されるアノード流界板と、ＭＥＡの第２の側面に隣接するカソード流界板であって、ＭＥＡの第２の側面の少なくとも一部へ酸化剤を誘導するよう構成されるカソード流界板と、燃料電池スタックの下流に位置付けられ、それと流体連通している少なくとも１つの蓄積装置であって、流体を蓄積および分注するよう作動する蓄積装置と、燃料電池スタックの下流に位置付けられる酸化剤出口と、蓄積装置の下流に位置付けられる第１のパージ制御装置であって、アノード流界板の少なくとも一部とカソード流界板の少なくとも一部との間の流体連通を可能にする第１の状態で動作可能であり、かつ蓄積装置から酸化剤出口を分離する第２の状態で動作可能な第１のパージ制御装置と、を備える。
【００１５】
上記実施形態の一側面によれば、該電気化学システムは、燃料電池スタックの少なくとも一部と流体連通しており、少なくとも１つの流体を再循環させるよう作動する再循環ラインを備える。
【００１６】
別の実施形態によれば、各燃料電池が、アノードおよびカソード電極層間に挿入されるイオン交換膜を有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、アノード電極層に隣接して位置付けられるアノード流界板であって、燃料供給源からアノード電極層の少なくとも一部へ水素含有燃料を誘導するよう構成されるアノード流界板と、カソード電極層に隣接して位置付けられるカソード流界板であって、酸化剤供給源からカソード電極層の少なくとも一部へ酸化剤を誘導するよう構成されるカソード流界板と、アノードおよびカソード電極層のうちの少なくとも１つの少なくとも一部と流体連通している少なくとも１つの蓄積装置とを備える、燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池を有する電気化学システムの操作を中止する方法は、燃料電池スタックから主負荷を切断するステップと、切断された燃料電池スタックへの燃料の供給を終了させるステップと、燃料の供給を終了させた後に、切断された燃料電池スタック中の空気から酸素を実質的に消費して、その中に酸素欠乏空気を形成するステップと、蓄積装置からアノード電極層のうちの少なくとも１つの少なくとも一部に水素および窒素のうちの少なくとも１つを提供するステップとを含む。
【００１７】
さらに別の実施形態によれば、各燃料電池が、アノードおよびカソード電極層間に挿入されるイオン交換膜を有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、アノード電極層に隣接して位置付けられ、アノード電極層へ水素含有燃料を誘導するよう構成されるアノード流界板と、カソード電極層に隣接して位置付けられ、カソード電極層へ酸化剤を誘導するよう構成されるカソード流界板と、燃料電池スタックの下流に位置付けられる少なくとも１つの蓄積装置と、燃料電池スタックの上流に位置付けられるカソード入口と、燃料電池スタックの下流に位置付けられる酸化剤出口と、蓄積装置の下流に位置付けられ、アノード流界板と前記カソード流界板との間の流体連通を可能にする第１の状態、および蓄積装置から酸化剤出口を分離する第２の状態で動作可能な第１のパージ制御装置と、燃料電池スタックと蓄積装置との間に位置付けられ、アノード流界板と蓄積装置との間の流体連通を可能にする第１の状態、およびアノード流界板と蓄積装置との間の流体連通を中止する第２の状態で動作可能な第２のパージ制御装置とを備える、燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池を有する電気化学システムの操作の方法は、最初に、燃料電池スタックパージ状態を検出すると、前記第１の状態で操作して、前記アノード流界板から前記蓄積装置への流体をパージするために、前記第２のパージ制御装置を開くステップと、第２の状態で操作するために第２のパージ制御装置を閉じるステップと、１回目の後の２回目に、第１のパージ制御装置を開いて、蓄積装置から周辺環境およびカソード入口のうちの少なくとも１つへの流体をパージし、蓄積装置パージ状態を検出すると、蓄積装置パージを行うステップとを含む。
【００１８】
さらなる別の実施形態によれば、各燃料電池が、アノードおよびカソード電極層間に挿入されるイオン交換膜を有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、アノード電極層に隣接して位置付けられ、アノード電極層へ水素含有燃料を誘導するよう構成されるアノード流界板と、カソード電極層に隣接して位置付けられ、カソード電極層へ酸化剤を誘導するよう構成されるカソード流界板と、燃料電池スタックの下流に位置付けられる少なくとも１つの蓄積装置と、燃料電池スタックと蓄積装置との間に位置付けられ、アノード流界板と蓄積装置との間の流体連通を可能にする第１の状態、およびアノード流界板と蓄積装置との間の流体連通を中止する第２の状態で動作可能であるパージ制御装置を備える、燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池を有する電気化学システムの操作の方法は、燃料電池スタックに印加される負荷の増加、および燃料電池スタック中の酸化剤の圧力および濃度のうちの少なくとも１つの大きさの減少を検出するステップと、第２の状態で操作し、燃料電池スタック中の水素含有燃料の圧力および濃度のうちの少なくとも１つを増加させ、かつ燃料電池スタックの圧力差のバランスをとるためにパージ制御装置を閉じるステップとを含む。
【００１９】
さらなる実施形態によれば、各燃料電池が、アノードおよびカソード電極層間に挿入されるイオン交換膜を有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、アノード電極層に隣接して位置付けられ、アノード電極層へ水素含有燃料を誘導するよう構成されるアノード流界板と、カソード電極層に隣接して位置付けられ、カソード電極層へ酸化剤を誘導するよう構成されるカソード流界板と、燃料電池スタックの下流に位置付けられる少なくとも１つの蓄積装置と、燃料電池スタックと蓄積装置との間に位置付けられ、アノード流界板と蓄積装置との間の流体連通を可能にする第１の状態、およびアノード流界板と蓄積装置との間の流体連通を中止する第２の状態で動作可能であるパージ制御装置を備え、燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池を有する電気化学システムの操作の方法は、燃料電池スタックに印加される負荷の減少、および燃料電池スタック中の酸化剤の圧力および濃度のうちの少なくとも１つの大きさの減少を検出するステップと、第１の状態で操作し、燃料電池スタック中の水素含有燃料の圧力および濃度のうちの少なくとも１つを減少させ、かつ燃料電池スタックの圧力差のバランスをとるためにパージ制御装置を開くステップとを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本明細書全体を通して参照される「一実施形態」または「実施形態」は、該実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、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、本明細書全体を通して種々の場所で使用される「一実施形態における」または「実施形態における」という語句は、必ずしも全て同じ実施形態を指しているわけではない。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法で組み合わせてもよい。
【００２１】
次の説明では、種々の開示された実施形態の徹底的な理解を提供するために、ある具体的な詳細を説明する。しかし、当業者であれば、実施形態はこのような具体的な詳細のうちの１つ以上がなくても、または他の方法、部品、材料などにより、実践することができることを認識するであろう。その他の場合、蓄積器および隔膜に関連する周知の構造、および流界板、端板、電解触媒、外部回路、および／または再循環装置などであるが、それらに限定されない電気化学電池システムに関連するものは、実施形態の不必要に曖昧な説明を回避するために、詳細に図示または説明していない。
【００２２】
本明細書全体を通して参照される「電気化学システム」、「燃料電池」、「燃料電池スタック」、「スタック」、および／または「電解槽」は、限定的な意味で意図されないが、燃料および酸化剤が、電気化学的に転換されて電力を生じるか、または外部電流が、典型的に水を通して、燃料電池電極間を通過し、各電極で水素および酸素の生成をもたらす任意の装置、器具、またはシステムを指すことを目的とする。
【００２３】
本明細書全体を通して参照される「燃料」、および／または「水素」は、限定的な意味で意図されないが、所与の化学反応において陽子または電子に分離可能で、電気化学的転換を支援して電力を生じる任意の反応物質またはガスを指すことを目的とする。
【００２４】
本明細書全体を通して参照される「酸化剤」、「空気」、および／または「酸素」は、限定的な意味に意図されないが、酸素、水、水蒸気、または空気などであるがそれらに限定されないものを酸化することが可能な、任意の液体またはガスを指すことを目的とする。
【００２５】
本明細書全体を通して参照される「イオン交換膜」、「プロトン交換膜」、および／または「ＰＥＭ」は、限定的な意味に意図されないが、第１の電荷または極性のイオンが第１の方向に膜を通過することを可能にする一方で、第１の電荷または極性と反対の、第２の電荷または極性のイオンの第１の方向にある通路を封鎖する任意の膜、構造、または材料を指すことを目的とする。
【００２６】
本明細書全体を通して参照される「蓄積装置」、「蓄積部材」、「蓄積量」、および／または「蓄積器」は、限定的な意味に意図されないが、ガスを受領および分注するか、または圧縮ガスの投入量を蓄積または格納するよう作動する任意の装置、器具、容器、少なくとも部分的に有界の容積、または構造を指すことを目的とする。
【００２７】
本明細書全体を通して参照される「流量制御装置」、「パージ弁」、「パージ制御装置」、および／または「弁」は、限定的な意味で意図されないが、任意の器具、弁、計測器、コンピュータ制御器、またはポンプ、または第１の容積、または第２の容積への燃料供給源などの位置、または電極層などの位置からの流体の動きを管理するために使用することが可能な任意の装置を指すことを目的とする。
【００２８】
図５に図示されるような一実施例では、各燃料電池がアノードチャネル５０２、カソードチャネル５０４、およびその間に挿入されるＰＥＭなどのイオン交換膜５０６を有する、複数の燃料電池を組み込む燃料電池スタック５０１を含む電気化学システム５００が提供される。第１の流量制御装置５０８は、燃料供給源５１０からアノードチャネル５０２への水素などの燃料の供給流速を制御する。第２の流量制御装置５１２は、空気供給源５１４からカソードチャネル５０４への酸素または空気などの酸化剤の供給流速を制御する。典型的に、操作中にアノード（または燃料）圧力は、カソード（または酸化剤）圧力よりも大きい。
【００２９】
燃料供給源５１０からシステム５００へ燃料を導入すると、アノードに少なくとも部分的に接触する第１の電解触媒層は、水素分子を陽子および電子に分け、陽子は第１の方向に膜５０６を通過する一方で、電子は外部回路へ送られ、電力を生じる。陽子は膜５０６を通り、かつカソードチャネル５０４を通って移動し、外部回路から戻ってくる電子および空気供給源５１４からカソードへ供給される酸素と結合し、排ガスまたは液体、または両方としてシステム５００からパージされる水、熱、および／またはその他の副生成物を生成する。
【００３０】
図４を参照して、既存の燃料電池システム４００の起動時に、空気はアノードチャンネル４０２に存在してもよい。アノードチャネル４０２に水素を導入すると、燃料電池の下流部に空気が残っていれば腐食が発生し得る。
【００３１】
図５に示される本発明の一実施例では、燃料電池システム５００は、容積５１８を有し、スタック５０１の下流に位置付けられる蓄積装置５１６を含む。蓄積装置５１６は、アノードおよびカソードチャネル５０２、５０４のうちの少なくとも１つと流体連通しており、図５の図示された実施形態に示されるような蓄積器、または水素、酸素、および窒素などの少なくとも１つの流体を受領、格納、および分注し、および／または同じ物を蓄積および／または圧縮することが可能な任意の装置であってもよい。
【００３２】
第１の流量制御装置５０８が開放位置にあると、水素含有燃料は燃料供給源５１０からスタック５０１へと流れる。スタック５０１、特にアノードチャネル５０２に存在するあらゆる空気は、水素含有燃料の流入によって押し出され、空気の少なくとも一部は蓄積装置５１６に流れ込む。
【００３３】
システム５００は、燃料電池スタック５０１から反応物質、生成物、および／または副生成物を放出するための、ソレノイド、または回転円盤、球、またはプラグ、またはその他任意の適切な流量制御装置を有するパージ弁などの、第１の流量制御装置５２０をさらに含んでもよい。例えば、システム５００が動作を中止すると、空気がアノードチャネル５０２内に浸透し、燃料がアノードチャネル５０２に導入され、空気がそこからパージされると、腐食が発生する場合がある。腐食を防ぐために、図４に図示されるシステム４００などの一部の既存の燃料電池システムは、燃料が導入されるとアノードチャネル４０２中の空気を素早く外に出すことができるように、大型パージ弁４２０を有する。システム４００の燃料電池スタックのアノードチャネルからの空気のパージ速度は、パージ弁４２０を通る空気の排出速度と同じであるため、システム４００の大型パージ弁４２０などのパージ弁は、典型的に、大型開口部を含む。しかし、大型パージ弁は、例えば自動車において、換気用途などの種々の用途に対する燃料電池システムの実行可能性を示すことができる。加えて、大型パージ弁は、無駄が多く高い水素放出を結果としてもたらし得る、空気および燃料を含む大量の排生成物を排出する。
【００３４】
対照的に、図５の図示された実施形態では、第１のパージ制御装置５２０は、起動時に迅速な方法でアノードチャネル５０２から空気などの流体をパージするための大型開口部を有する必要がない。これは、押し出される空気が蓄積装置５１６の容積５１８に流れ込むためである。
【００３５】
したがって、蓄積装置５１６は、スタック５０１から、空気および／またはその他の反応物質、生成物、および窒素などの不活性ガスの効果的な排出を提供する一方で、周囲の環境への空気、反応物質、および／または生成物の大量排出を防ぐ。システム５００からの排生成物の排出速度および量を軽減することは、第１のパージ制御装置５２０のサイズを最小限化または縮小し、スペースが限られている用途でのシステム５００の使用の実行可能性を増大させる。
【００３６】
蓄積装置５１６は、第１のパージ制御装置５２０から排出されている流体の所望の量を維持するような大きさにすることが可能である。第１のパージ制御装置５２０から排出されている流体の最適なレベルは、所与の用途および／またはそのサイズ要件に基づいて決定することができる。図５の図示された実施形態では、第１のパージ制御装置５２０から延在するパージライン５２１は、カソードチャネル５０４の出口からの流れ５１７に接続されるが、加えて、または代わりに、換気口５４０に接続されてもよい。
【００３７】
さらに、一部の実施形態では、蓄積装置５１６の断面積は、蓄積装置５１６への、および／またはそこからの流量を伝達するライン、パイプ、またはその他任意の部品の断面積よりも大きくてもよい。また、一部の実施形態では、蓄積装置５１６の容積５１８は、燃料電池スタック５０１のアノードチャネル５０２の全容積とほぼ同一であってもよい。
【００３８】
腐食が起こる付加的な機会は、図４に示される既存のシステム４００の運転停止中である。運転停止後、燃料の流速を制御する第１の流量制御装置４０８は閉じられ、燃料消費を最小限にし、水素などの燃料は、膜４０６からカソードへの拡散によって、かつその中の残留酸素との反応によって、アノードから失われる。そしてアノードチャネル４０２の圧力は急落し、膜４０６内の開口部またはチャネルを通して、または漏出口を通して、アノードにカソードからの空気を吸収させる。この空気は、燃料電池システム４００の要素および／または燃料電池スタック１００のアセンブリ部品の腐食を引き起こし得る。
【００３９】
しかし、本発明の実施形態のシステム５００では、第１の流量制御装置５０８が閉じると、アノードチャネル５０２から膜５０６を通ってカソードチャネル５０４への水素拡散、およびカソードチャネル５０４内の残留酸素との反応により、アノードチャネル５０２内の圧力が低下する。さらに、カソード内の酸素が実質的に消費されるまで、アノードは、水素含有燃料および窒素などの不活性ガスを含有するスタック５０１の下流にある蓄積装置５１６から、流体の一部を吸収する。水素が蓄積装置５１６からアノードチャネル５０２へ引き出されると、空気は、換気口５４０から引き出され得、および／または酸素欠乏空気などのガスは、カソードから引き出されて、引き出された水素に取って代わることができる。同時に、カソード内の酸素の濃度が減少する一方で、アノードおよびカソードチャネル５０２、５０４が同じ圧力となるように、第１のパージ制御装置５２０を開くことができ、こうしてカソードチャネル５０４からアノードチャネル５０２へと空気が膜５０６を横断することを防ぐ。
【００４０】
図６は、再循環ライン６２３を通ってアノードガスを再循環させ、それぞれ窒素または水などのガスまたは液体がアノードチャネル６０２を封鎖することを防ぐ補助をするために噴射ポンプ６２２が使用される、本発明の別の実施形態による電気化学システム６００を図示する。電気化学システム６００は、それぞれ燃料供給源６１０および酸素供給源６１４からの燃料および酸化剤の流速を制御するための、第１および第２の流量制御装置６０８、６１２をさらに含む。電気化学システム６００は、第１のパージ制御装置６２０をさらに含んでもよい。図６の図示された実施形態では、第１のパージ制御装置６２０から延在するパージライン６２１は、カソードチャネル６０４の出口からの流れ６１７に接続されるが、加えて、または代わりに、換気口６４０に接続されてもよい。
【００４１】
加えて、当業者であれば、蓄積装置６１６に起因するアノードループ内の付加的な容積は、アノード内の流体を吸収および排出することによって、アノードチャネル６０２にわたる圧力スイング（例えば、操作の耐張モードで操作する場合に、アノードの周期的パージによる）を軽減することができることを十分理解するであろう。
【００４２】
図７Ａに図示されるようなさらに別に実施形態では、電気化学システム７００は、その中に隔膜７２４がある７１８を有する蓄積装置７１６を含む。隔膜７２４は、通常操作、負荷過渡、起動、および／または運転停止中にスタック７０１の所望の横断圧力（例えば、アノードとカソードとの間の圧力差）を維持するために利用することができる。スタック７０１の所望の横断圧力を維持すると、不要な圧力スイング、および／または膜７０６を通る水素透過、または本願で説明されるような腐食を引き起こし得るシステム７００内への空気の取り入れをもたらすことができる真空を防ぐ。加えて、または代わりに、隔膜７２４の位置は、横断圧力の指標となることが可能であるため、供給燃料流速を制御することができる。この情報は、供給源７１０に返して、燃料の流速を増加または減少させることができ、こうして燃料流速を制御することによって横断圧力を調節する。
【００４３】
電気化学システム７００は、それぞれ燃料供給源７１０および空気供給源７１４からの燃料および空気の流速を制御するための、第１および第２の流量制御装置７０８、７１２をさらに含む。電気化学システム７００は、第１のパージ制御装置７２０をさらに含んでもよい。図７Ａの図示された実施形態では、第１のパージ制御装置７２０から延在するパージライン７２１は、カソードチャネル７０４の出口からの流れ７１７に接続されるが、加えて、または代わりに、カソード入口（例えば、カソードチャネルの上流）または換気口７４０に接続してもよい。
【００４４】
図７Ｂに図示されるように、一部の実施形態では、蓄積装置７１６および／または隔膜７２４は、バイアス圧力装置７２７であるか、またはそれを備えてもよい。バイアス圧力装置７２７は、ピストン７３１をアノード側に耐え、アノード容積を最小限化することが可能なスプリングまたはアクチュエータ７２９などの、任意の付勢部材を含んでもよい。ピストン７３１は、その周辺にシール７３３を備えて漏出を防ぐことができる。理論に制約されることなく、下方過渡（つまり負荷の減少）の場合、図７Ｃに示されるようにカソード圧力が低下し、ピストン７３１をカソード側に向かって進めることができる。このことは、アノードチャネル７０２と流体的に連通するよう構成される蓄積装置７１６の容積７３５を増加させる。したがって、アノードチャネル７０２の圧力が減少し、アノードおよびカソード層間の横断圧力を減少させる。水素が消費および／またはパージされて下方過渡が完了すると、ピストン７３１は、図７Ｂに図示されるその元の位置を少なくとも実質的に再び占有する。
【００４５】
図８に示されるような、さらに別の実施形態では、電気化学システム８００は、蓄積装置８１６の代わりに、またはそれに加えて、プラグ流装置８２６を取り付けることが可能である。プラグ流装置８２６は、スタック８０１の横断圧力が受動的に調節されるように、カソードチャネル８０４から排出されるガスの流れと流体連通することができる。プラグ流装置８２６は、通常、高い長さ対直径比を伴って断面が狭く、通常は一方の端にパージガスを、他方の端に空気またはカソードガスまたはその両方を含有する。このような２つのガスの間の最前部は、起動、運転停止、および／または負荷過渡の間に変わることによって、スタック８０１の横断圧力を調節することができる。
【００４６】
加えて、蓄積装置８１６の容積８１８などの、ガスが混合し得る容積は、プラグ流装置８２６の下流に配置され、カソードチャネル８０４内または換気口８４０内への燃料の予期しない放出を防ぐことができる。
【００４７】
加えて、または代わりに、酸素または水素センサ、またはその両方などのセンサ８２８、８３０は、プラグ流装置８２６、または先行の実施形態または以降の実施形態のうちのいずれかによる蓄積装置に連結される少なくとも１つのラインの中に配置され、ガスの流体成分（例えば、酸素および水素濃度）を検出することができる。これらのセンサ８２８、８３０は、プラグ流装置８２６につながる、またはそこから延在するライン内の異なる点に選択的に配置されることができ、アノードチャネル８０２への水素などの燃料の供給流速、および／またはカソードチャネル８０４への空気などの酸化剤の供給流速を制御する流量制御装置８０８、８１２に電気的に連結することができる。センサ８２８、８３０は、流量制御装置８０８、８１２に流体成分情報を伝え、アノードチャネル８０２若しくはカソードチャネル８０４のそれぞれへの供給燃料流速若しくは供給空気流速またはその両方を制御することができる。加えて、または代わりに、センサ８２８、８３０からの情報は、第１のパージ制御装置８２０を制御するために使用することができ、例えば、運転停止が完了した後に第１のパージ制御装置８２０を閉じる。
【００４８】
発明者らは、全ての説明された部品を組み込んでもよく、または組み込まなくてもよい本発明の実施形態を想定している。例えば、プラグ流装置８２６を組み込むシステム８００は、必ずしも第１のパージ制御装置８２０を組み込まなくてもよい。本開示を検討した当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、システム８００になされ得るこれらおよびその他の変更を十分に理解するであろう。
【００４９】
本発明のその他の実施形態による電気化学システムは、付加的な部品を含んでもよいか、または本願で説明されるある部品を除外してもよい。例えば、図９に図示されるさらなる実施形態では、電気化学システム９００は、容積９１８および、ガス吸収物質または触媒物質９２５を有する蓄積装置９１６を含み、容積９１８へ酸素または水素またはその両方などのガスを吸収または反応させる補助をする。例えば、物質９２５は、運転停止中に蓄積装置９１６へ引き戻される空気中の酸素と反応し、酸素がアノードまたはカソードに進入することを防ぐことができる。
【００５０】
さらに、電気化学システム９００は、図６の図示された実施形態と関連して論じられるアノード再循環ライン６２３と同様の、カソード再循環ライン９２３を含んでもよい。一実施形態によれば、再循環ライン９２３を通ってカソードガスを再循環させ、ガスまたは液体がカソードチャネル９０４を封鎖することを防ぐ補助をするために、噴射ポンプまたは送風機などの再循環装置９２２を使用することが可能である。加えて、または代わりに、燃料電池スタック９０１が切断されている時に、酸素が燃料電池スタック９０１内の空気から実質的に消費されている間、酸化剤もカソード再循環ライン９２３で再循環させることが可能である。当業者であれば、アノードおよびカソード再循環ラインは、本願で説明される実施形態のうちのいずれかに組み込むことが可能であることを十分理解するであろう。
【００５１】
さらに、さらに別の実施形態による電気化学システム１０００は、図１０で図示される。電気化学システム１０００は、蓄積装置１０１６の下流に配置される第１のパージ制御装置１０２０、およびアノードチャネル１００２の下流および蓄積装置１０１６の上流に配置される第２のパージ制御装置１０５２を含んでもよい。第２のパージ制御装置１０５２は、閉鎖または開放、および／またはその間で調整して、アノードチャネル１００２の圧力などの、燃料電池スタック１００１の圧力を維持または変化させることが可能である。さらに、第２のパージ制御装置１０５２は、アノードチャネル１００２と蓄積装置１０１６との間の流体の流れを制御および／または中止するよう構成される。
【００５２】
一実施形態では、電気化学システム１０００の操作の方法は、燃料電池スタック１００１の通常操作中に、第１および第２のパージ制御装置１０２０、１０５２を閉鎖状態に維持するステップを含む。燃料電池スタック１００１をパージすることが望ましい場合、第１のパージ制御装置１０２０は閉鎖したままである一方、第２のパージ制御装置１０５２は開かれ、蓄積器１０１６を加圧する。そして第１のパージ制御装置１０２０が開かれる一方で、第２のパージ制御装置１０５２は閉じられて蓄積装置１０１６を開放する。一部の実施形態では、蓄積装置１０１６内部または近傍に配置されるセンサ１０５４は、燃料電池スタック１００１のパージを誘発することができる。例えば、センサ１０５４は、蓄積装置１０１６内の圧力の大きさを監視および／または測定し、閾値および／または所定の圧力の大きさを検出するとパージを誘発することが可能である。
【００５３】
加えて、または代わりに、パージは、毎分、または３０秒ごと、またはその他任意の適切な時間など、所定の時間間隔に基づいて誘発することが可能である。パージの圧力ベースおよび／または時間ベースの方法を組み込む実施形態では、水素含有燃料などの流体の具体的な量が、各パージ状態中に燃料電池スタック１００１からパージされるため、第１および第２のパージ制御装置１０２０、１０５２は、許容差が正確な具体的な大きさまたは具体的な寸法を有する必要がない。
【００５４】
一部の実施形態では、燃料電池スタック１００１の反復的なパージは、燃料パージ状態が発生すると、第１のパージ制御装置１０２０を開くことなく、発生することができる。例えば、第２のパージ制御装置１０５２が閉じられている場合の通常操作中、圧力差がアノードチャネル１００２と蓄積装置１０１６との間に作られる。燃料パージが望ましい場合、第２のパージ制御装置１０５２を開き、水素含有燃料などの流体を蓄積装置１０１６内へと出すことが可能である。その後、蓄積装置パージ状態が発生する場合、例えば、蓄積装置１０１６が流体で実質的に満たされた場合、および／またはシステム１０００の運転停止時に、第１のパージ制御装置１０２０を開いて、蓄積装置１０１６から雰囲気などの周辺環境へ蓄積した流体をパージすることが可能である。
【００５５】
さらに他の実施形態では、蓄積装置１０１６から放出される水素含有燃料は、カソード出口内へと出されることによって、すぐに雰囲気内に放出されている水素の濃度を減少させることができる。
【００５６】
さらに他の実施形態では、パージ制御装置１０２０および１０５２は、蓄積器１０１６に取り付けられる共通ポートならびに１０２３および１０４０（図示せず）への他の２つのポートによって、単一の三方弁に組み合わせられてもよい。
【００５７】
当業者であれば、上記に論じられるものと同様の第２のパージ制御装置は、本願で説明される実施形態のうちのいずれにも組み込むことが可能であり、センサ１０５４は、燃料電池スタックおよび／または蓄積装置のパージを誘発する前に、蓄積装置内の流体の圧力の代わりに、またはそれに加えて、流体の温度および／または濃度などのその他のパラメータを検出するよう構成してもよいことを十分理解するであろう。
【００５８】
加えて、または代わりに、第２のパージ制御装置１０５２は、圧力調節装置として、一部の実施形態で使用することが可能である。例えば、上昇過渡または負荷増加中に、空気圧は典型的に増加される。したがって、空気圧の増加に適合するため、迅速な方法で水素の圧力を増加させることが望ましい。したがって、上昇負荷過渡がアノードループの容積を減少し続ける期間に、第２のパージ制御装置１０５２を閉じることによって、アノード圧力が上昇する速度を増加させる。
【００５９】
反対に、下方過渡または負荷減少中は、空気圧は減少させられ、空気を加圧するために使用される空気圧縮機に関連する寄生電力損失を最小限化し、それは逆により少ない水の生成という結果となり得る。空気圧の減少に適合するため、迅速な方法で水素の圧力を減少させて、燃料電池スタック１００１内の許容できないほど高い横断圧力を回避することが望ましい。したがって、下落負荷過渡が継続する期間に、第２のパージ制御装置１０５２を開くことによって、水素含有燃料が、その間の圧力差によりアノードチャネル１００２から蓄積装置１０１６へ付勢されると、アノードチャネル１００２内の圧力を放出する。さらに圧力を減少させるため、第１のパージ制御装置１０２０は、第２のパージ制御装置１０５２と同時に開くか、または１０２０と１０５２との間で交互に切り替えてもよい。
【００６０】
その他の実施形態では、センサは、酸化剤の圧力変化を検出するよう構成することができ、第２のパージ制御装置１０５２は、上記と同様の方法で操作して、燃料電池スタック１００１の結果として生じる圧力差を調整することが可能である。加えて、または代わりに、アノードチャネル１００２内の圧力は、同様に監視することが可能であり、閾値燃料または酸化剤圧力および／またはアノードおよびカソード層間の所望の横断圧力に達すると、第２のパージ制御装置１０５２は、それが閉じていたか、または開いていたかによって、その通常状態に戻り、上記のような異常状態に対応することができる。
【００６１】
上記の実施形態のうちのいずれかでは、圧力センサ（図示せず）は、例えば、カソード入口、カソード出口、アノード入口、および／またはアノード出口といった、燃料電池スタック５０１、６０１、７０１、８０１、９０１、１００１の入口および／または出口に配置することができる。圧力センサはガスの圧力を監視するために使用することができ、圧力センサからの情報は、例えば、空気供給流速、燃料供給流速、または第１のパージ制御装置の状態を制御するために使用することができる。
【００６２】
上記の実施形態のうちのいずれかでは、加えて、または代わりに、蓄積装置５１６、６１６、７１６、８１６、９１６、１０１６は、孤立装置である代わりに、燃料電池スタック５０１、６０１、７０１、８０１、９０１、１００１の端部ハードウェアに含んでもよい。本開示を検討した当業者であれば、本発明の精神から逸脱することなく、システムになされ得るこれらおよびその他の変更を十分に理解するであろう。
【００６３】
図５に示されるもののような、燃料電池システムの操作を中止する方法は、本願の下記で説明する。第１に、主負荷５４２を燃料電池スタック５０１から切断する。次に、（同様にスタック５０１から燃料供給５１０を分離する）第１の流量制御装置５０８を閉じることによって、燃料供給５１０を終了する。カソードチャネル５０４内に存在する空気中の酸素は、水素がアノードチャネル５０２からカソードチャネル５０４へとイオン交換膜５０６を通って拡散すると、消費される。カソードチャネル５０４内に存在する空気中の酸素の化学量論的な量と比較して、アノードチャネル５０２および蓄積装置５１６内に存在する燃料中の水素の化学量論的な量が、燃料電池システム５００の運転停止時にカソードチャネル５０４内の酸素の全てを実実質的に消費するために十分であるように、より好ましくは、酸素が実質的に消費された後に、アノードチャネル５０２内に少なくともある程度の過剰な水素があるように、アノードチャネル５０２、カソードチャネル５０４、および蓄積装置５１６の全容積は、適切な大きさとされるべきである。燃料電池スタック５０１が、通常の操作中にアノード過圧で操作される場合（例えば、アノード圧力がカソード圧力よりも大きい）、第１のパージ制御装置５２０は、水素がアノードチャネル５０２から欠乏してアノード圧力がカソード圧力に達するか、またはそれ以下に減少する時に（例えば、燃料電池スタック５０１の上流および／または下流のアノードおよびカソード圧力センサによって判定されるとおりに）、開くことができる。
【００６４】
操作中、アノード上に積み重なるあらゆる過剰な燃料および／またはその他の不活性流体は、蓄積装置５１６内に蓄積される。よって、燃料電池システム５００の運転停止中、水素がアノードチャネル５０２から拡散して、酸素消費中にカソードチャネル５０４内の残留酸素と反応すると、燃料出口ライン５１５および／または蓄積装置５１６内の過剰な燃料および／またはその他の不活性流体は、アノードチャネル５０２内へ引き戻され、拡散された水素に取って代わる。第１のパージ制御装置５２０が、酸素消費中に最初は閉じられているため、アノード圧力は低下する。アノード圧力がカソード圧力まで、および／またはそれ以下に低下すると、換気口５４０および／または空気供給源５１４からの空気が蓄積装置５１６内へ引き戻されて、蓄積装置５１６内に存在していた過剰な燃料および／またはその他の不活性流体に取って代わり、よってほぼ真空がアノードチャネル５０２内で作られることを防ぐことができるように、第１のパージ制御装置５２０が開かれる。
【００６５】
加えて、酸素消費中に酸素がカソードチャネル５０４から消費されているため、空気も出口ライン５１７および／またはカソードチャネル５０４内に引き出して、消費される酸素に取って代わることができる。該過程は、酸素がカソードチャネル５０４から実質的に消費されるまで継続する。結果として、水素、窒素、またはその混合物は、運転停止が完了した後に、アノードチャネル５０２内に残留することによって、空気（および酸素）がアノードチャネル５０２に導入されることを防ぐ。酸素が燃料電池スタック５０１内で実質的に消費された後、燃料電池システム５００の運転停止が完了する。
【００６６】
図９に図示される図示された実施形態と関連して前述されたように、蓄積装置９１６は、運転停止中の水素拡散中に空気が蓄積装置９１６内に引き戻されると酸素と反応する物質９２５をさらに含んでもよい。よって、蓄積装置９１６および／またはカソードチャネル９０４内に引き戻される空気またはカソード流体中の酸素が反応を受けることによって、酸素が蓄積装置９１６内に存在することを防ぎ、さらに酸素がアノードチャネル９０２に進入することを防ぐ。また、蓄積装置９１６のサイズを最小限化してもよい。
【００６７】
また、図５に図示される補助負荷５４４は、燃料電池スタック５０１に接続し、カソード内に存在している酸素の酸素消費の速度を増加させることができる。電力は、ラジエータファンまたは送風機などのシステム部品または車両装置のうちのいずれかに電力を供給するために使用することができ、またはバッテリ（図示せず）などのエネルギ格納装置に格納することができる。当業者であれば、電力を消費するために使用することもでき、これ以上例示されないその他のシステム部品を認識するであろう。
【００６８】
図８に示されるような燃料電池システム８００などの、蓄積装置につながる、またはそこから延在するライン内の異なる点に配置される酸素および／または水素センサを含有する燃料電池システムの別の実施形態では、酸素および／または水素センサ８２８、８３０からの情報は、第１のパージ制御装置８２０を制御するために使用することができる。例えば、第１のパージ制御装置８２０は、運転停止の完了中および／または後に、酸素および／または水素の濃度が所定値に達する、および／または越えると、閉じることができる。
【００６９】
本願で説明される実施形態のうちのいずれかでは、システム５００、６００、７００、８００、９００、１０００は、システム５００、６００、７００、８００、９００、１０００のパージの間および後に、蓄積装置５１６、６１６，７１６、８１６、９１６、１０１６を退出する流体の流れを消費または希釈するよう構成される第１のパージ制御装置５２０、６２０、７２０、８２０、９２０、１０２０の下流にある燃焼器または希釈器（図示せず）を含んでもよい。この方法で、水素のあらゆる残留濃度は消費され、この実施形態は厳密な放出基準を必要とする用途にとってより適切となる。
【００７０】
加えて、または代わりに、各蓄積装置５１６、６１６、７１６、８１６、９１６、１０１６を退出する流体は、蓄積装置５１６、６１６、７１６、８１６、９１６、１０１６、および／または第１のパージ制御装置５２０、６２０、７２０、８２０、９２０、１０２０の下流にあるパージラインを介して、第２の流量制御装置５１２、６１２、７１２、８１２、９１２、１０１２の下流にある各酸化剤入口へと出すことができる。これらの実施形態では、パージラインはカソードチャネル５０４、６０４、７０４、８０４、９０４、１００４の上流にあるラインに接続することが可能である。そのような配置はまた、燃焼器または希釈器を使用する必要がなく、システム５００、６００、７００、８００、９００、１０００のパージ中に蓄積器から雰囲気への水素の大量放出も防ぐ。
【００７１】
先行の実施形態のいずれかでは、第２の流量制御装置５１２、６１２、７１２、８１２、９１２、１０１２は運転停止中に開放または閉鎖してもよい。
【００７２】
本明細書中で参照される、および／または出願データ用紙中で一覧化される、上記の米国特許、米国特許公開公報、米国特許出願書、外国特許、外国特許出願書、および非特許公報の全ては、その全体において参照することにより、本願に組み込まれる。
【００７３】
前述より、本発明の具体的な実施形態は、説明の目的のために本願に記載されているが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、種々の改良を行うことができることが、十分理解されるであろう。したがって、本発明は、添付の請求項およびその同等物による場合を除いて、制限されない。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】図１は、従来技術による膜電極アセンブリの組立分解等角図である。
【図２】図２は、従来技術による電気化学燃料電池の組立分解等角図である。
【図３】図３は、従来技術による電気化学燃料電池スタックの等角図である。
【図４】図４は、従来技術による電気化学システムのブロック図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態による電気化学システムのブロック図である。
【図６】図６は、本発明の別の実施形態による電気化学システムのブロック図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明のさらに別の実施形態による電気化学システムのブロック図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明のなおも別の実施形態による、操作の第１の状態にある電気化学システムのブロック図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、操作の第２の状態にある、図７Ｂの電気化学システムのブロック図である。
【図８】図８は、本発明の別の実施形態による電気化学システムのブロック図である。
【図９】図９は、本発明のさらに別の実施形態による電気化学システムのブロック図である。
【図１０】図１０は、本発明のなおも別の実施形態による電気化学システムのブロック図である。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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