(57)【要約】要約の本発明は、運転停止した燃料電池発電設備の燃料電池（１２）内のガス組成を決定するためのシステム（１０）および方法である。システム（１０）は、少なくとも一つの燃料電池（１２）と、燃料電池（１２）と電気的に接続するように取り付けられた検出器回路（８６）とを含み、回路（８６）は、電源（８８）と、電圧測定装置（９０）と、検出器回路スイッチ（９２）とを含む。回路（８６）は、電源（８８）が所定の検出継続時間の間、燃料電池（１２）に所定の検出電流を選択的に供給することができるように、取り付けられる。検出器回路（８６）が、燃料電池（１２）の運転停止モニタ電圧が燃料電池（１２）の較正された検出器電圧限界と同じかまたはそれを超えることを検出するときは必ず、システム（１０）は、電池（１２）のアノード流れ区域（２８）内へ還元性流体を選択的に導入する。
2005539353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．  水素含有還元性流体流れおよびプロセス酸化剤反応物流れから電流を生成するための燃料電池１２であって、電解質１８の両側にアノード電極１４およびカソード電極１６と、アノード電極１４に隣接して流れるように還元性流体流れを導くための、アノード電極１４に隣接するアノード流れ区域２８と、カソード電極１６に隣接して流れるようにプロセス酸化剤流れを導くための、カソード電極１６に隣接するカソード流れ区域３０と、アノード流れ区域２８内へ還元性流体を選択的に導入するための、アノード流れ区域２８と流体連通するように取り付けられたアノード入口弁６２とを含む、少なくとも一つの燃料電池１２と、
ｂ．  電源８８と、電圧測定装置９０と、検出器回路スイッチ９２とを含み、燃料電池１２と電気的に接続するように取り付けられた検出器回路８６であって、電源８８が所定の検出継続時間の間、燃料電池１２に所定の検出電流を選択的に供給することができるように、取り付けられる、検出器回路８６と、
を備えることを特徴とする、運転停止した燃料電池発電設備の燃料電池１２内のガス組成を決定するためのシステム。
【請求項２】
検出器回路８６が、燃料電池１２の運転停止モニタ電圧が燃料電池１２発電設備の検出器電圧限界とほぼ同じかまたはそれを超えることを検出するときは必ず、アノード流れ区域２８内へ水素含有還元性流体を選択的に導入するように、検出器回路８６およびアノード入口弁６２と電気的に連通するように取り付けられた水素導入制御装置手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の運転停止した燃料電池発電設備の燃料電池１２内のガス組成を決定するためのシステム。
【請求項３】
アノード出口４２とアノード入口４０との間に流体連通するように取り付けられたアノード再循環ライン６６と、アノード排気の流れの少なくとも一部をアノード出口４２からアノード入口４０へ導くための、アノード再循環ライン６６に取り付けられたアノード再循環送風機６８とをさらに備えることを特徴とする請求項２記載の運転停止した燃料電池発電設備の燃料電池１２内のガス組成を決定するためのシステム。
【請求項４】
水素含有還元性流体流れおよびプロセス酸化剤反応物流れから電流を生成するための燃料電池１２であって、電解質１８の両側にアノード電極１４およびカソード電極１６と、アノード電極１４に隣接して流れるように還元性流体流れを導くための、アノード電極１４に隣接するアノード流れ区域２８と、カソード電極１６に隣接して流れるようにプロセス酸化剤流れを導くための、カソード電極１６に隣接するカソード流れ区域３０とを含む、少なくとも一つの燃料電池１２を備える、運転停止した燃料電池発電設備の燃料電池１２のガス組成を決定する方法であって、
ａ．  電源８８と、電圧測定装置９０とを有する検出器回路８６を、電源が所定の検出継続時間の間、燃料電池１２に所定の検出電流を選択的に供給することができるように、燃料電池１２と電気的に連通するように取り付け、
ｂ．  運転停止した燃料電池１２発電設備の検出器電圧限界を決定するように、
ｉ．  アノード電極１４が水素ガスに曝されているときの燃料電池１２の開回路水素電圧を決定し、また、検出器回路８６の所定の検出電流が燃料電池１２内の第一の反応物濃度のためおよび第二の反応物のため所定の検出継続時間の間、燃料電池１２に印加されるときの燃料電池１２のモニタ電圧を決定し、
ｉｉ．  開回路水素電圧と、燃料電池１２内の第一および第二の反応物濃度のためのモニタ電圧とから検出器電圧限界を計算する、
ことにより検出器回路８６を較正する、
ことを含むことを特徴とする、運転停止した燃料電池発電設備の燃料電池１２のガス組成を決定する方法。
【請求項５】
所定の検出継続時間の間、燃料電池１２に所定の検出電流を間欠的に印加し、次いで、運転停止モニタ電圧が検出器電圧限界とほぼ同じかまたはそれを超えるときは必ず、燃料電池の流れ区域２８、３０内へ水素を導入することをさらに含むことを特徴とする請求項４記載の運転停止した燃料電池１２発電設備のガス組成を決定する方法。
【請求項６】
水素還元性流体の貯蔵供給源４４と燃料電池１２のアノード入口４０との間に流体連通するように取り付けられたアノード入口弁６２を通して水素を導入することをさらに含むことを特徴とする請求項５記載の運転停止した燃料電池１２発電設備のガス組成を決定する方法。
【請求項７】
導入された水素をアノード流れ区域２８全体に均一に流通させるように、水素が燃料電池１２に導入されるときは必ず、アノード再循環ライン６６に取り付けられたアノード再循環送風機６８を作動させることをさらに含むことを特徴とする請求項６記載の運転停止した燃料電池１２発電設備のガス組成を決定する方法。
【請求項８】
水素含有還元性流体流れおよびプロセス酸化剤反応物流れから電流を生成するための燃料電池１２であって、電解質１８の両側にアノード電極１４およびカソード電極１６と、アノード電極１４に隣接して流れるように還元性流体流れを導くための、アノード電極１４に隣接するアノード流れ区域２８と、カソード電極１６に隣接して流れるようにプロセス酸化剤流れを導くための、カソード電極１６に隣接するカソード流れ区域３０とを含む、少なくとも一つの燃料電池１２を備える、運転停止した燃料電池１２発電設備のガス組成を決定する方法であって、
ａ．  電源８８と、電圧測定装置９０とを有する検出器回路８６を、電源８８が所定の検出継続時間の間、燃料電池１２に所定の検出電流を選択的に供給することができるように、燃料電池１２と電気的に連通するように取り付け、
ｂ．  運転停止した燃料電池発電設備の検出器電圧限界を決定するように、
ｉ．  所定の検出継続時間の間、電極１４、１６に所定の検出電流を供給するように電極１４、１６に検出器回路８６の電源８８を接続し、次いで、検出器継続時間の終了の直前に電圧測定装置９０を用いて電極１４、１６に亘る第一のモニタ電圧を測定し、次いで、アノード流れ区域２８内へ水素を導入し、次いで、電圧測定装置９０を用いて電極１４、１６に亘る第一の開回路水素電圧を測定することにより、燃料電池１２内の第一の反応物濃度のための、燃料電池１２に亘る第一のモニタ電圧および第一の開回路水素電圧を決定し、
ｉｉ．  所定の検出継続時間の間、電極１４、１６に所定の検出電流を供給するように電極１４、１６に検出器回路８６の電源８８を接続し、次いで、検出器継続時間の終了の直前に電圧測定装置９０を用いて電極１４、１６に亘る第二のモニタ電圧を測定し、次いで、アノード流れ区域２８内へ水素を導入し、次いで、電圧測定装置９０を用いて電極１４、１６に亘る第二の開回路水素電圧を測定することにより、燃料電池内の第一の反応物濃度とは異なる第二の反応物濃度のための、燃料電池１２に亘る第二のモニタ電圧および第二の開回路水素電圧を決定し、
ｉｉｉ．  次いで、運転停止した燃料電池発電設備の検出器電圧限界を決定するように第二のモニタ電圧および第二の開回路水素電圧と第一のモニタ電圧および第一の開回路水素電圧とを相関させる、
ことにより検出器回路８６を較正する、
ことを含むことを特徴とする、運転停止した燃料電池１２発電設備のガス組成を決定する方法。
【請求項９】
所定の検出継続時間の間、燃料電池１２に所定の検出電流を間欠的に印加し、次いで、検出器回路８６により検出された運転停止モニタ電圧が検出器電圧限界とほぼ同じかまたはそれを超えるときは必ず、燃料電池１２の流れ区域２８、３０内へ水素を導入することをさらに含むことを特徴とする請求項８記載の運転停止した燃料電池発電設備のガス組成を決定する方法。
【請求項１０】
水素還元性流体の貯蔵供給源４４と燃料電池のアノード入口４０との間に流体連通するように取り付けられたアノード入口弁６２を通して水素を導入することをさらに含むことを特徴とする請求項９記載の運転停止した燃料電池発電設備のガス組成を決定する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、輸送装置、可搬式発電設備内に、または定置式発電設備として使用するのに適した燃料電池発電設備に関し、さらに本発明は特に、運転停止した燃料電池発電設備の流れ区域内の反応物濃度の決定に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電設備は、よく知られており、水素含有還元性流体流れおよびプロセス酸化剤反応物流れから電気エネルギーを発生させて、発電設備および輸送装置などの電気装置に電力を供給するのに一般に使用されている。従来技術の燃料電池発電設備では、よく知られているように、燃料電池に接続された電気回路が遮断されまたは開にされ、電池を運転停止させたときおよび電池を運転停止させている間など、もはや電池の両端に負荷がないとき、カソード電極上に空気が存在すると、アノード電極上に残っている水素燃料と共に、一般に、許容できないアノード電位とカソード電位を生じさせ、その結果、触媒および触媒支持材料の酸化および腐食、さらに付随する電池性能の低下が生じる。
【０００３】
燃料電池の運転停止の際に、カソード電極を不動の非酸化性状態に戻すための努力が提案されてきた。例えば、上述のような電池の性能低下を最小限に抑えまたは防止するために電池の運転停止の際にアノード流れ区域もカソード流れ区域も直ちにパージしてアノード電極およびカソード電極を不動態化するには不活性ガスを使用する必要があると考えられた。さらに、起動の際に不活性ガスパージを使用すると、安全の問題である、水素と空気との可燃性混合物の存在の可能性が回避された。パージガスとして１００％の不活性ガスを使用することは従来技術では極めてありふれているけれども、同一出願人が所有する米国特許第５，０１３，６１７号および第５，０４５，４１４号は、１００％窒素をアノード側のパージガスとして、一方、酸素が極めて小さいパーセンテージ（例えば、１％未満）で、残部が窒素であるパージ混合物をカソード側で使用することを記載している。これら両特許とも、パージ過程の開始中に燃料電池の両端に擬似電気負荷を接続して、カソード電位を水素電極基準に対して０．２ボルト未満の許容限界値の間に速やかに低下させるという選択肢も考察している。
【０００４】
燃料電池への不活性ガスの別個の供給源を保管しかつ供給することに関連するコストが生じない解決策が提案されてきた。このように保管された不活性ガスのコストと煩雑さは、特に小型さと低コストが重要でありまたシステムを頻繁に運転停止および起動させなければならない自動推進用途には望ましくない。その解決策には、主要電気使用装置（以下、「主要負荷」と呼ぶ）の接続を解除することにより燃料電池発電設備を運転停止すること、空気またはプロセス酸化剤の流れを停止すること、および運転停止中は、燃料の流れを停止したままで、水素が少なくとも０．０００１％、残部が燃料電池不活性ガスであるガス組成（例えば水蒸気を除く乾燥基準）において燃料電池ガスが電池に亘って平衡になる仕方でシステム内への燃料の流れおよびシステムからのガスの流れを制御すること、および水素が少なくとも０．０００１％（体積で）、残部が燃料電池不活性ガスであるガス組成を維持することが含まれる。好ましくは、平衡ガス組成内にあるいずれの窒素も、空気からシステムに直接導入されるかあるいは燃料と混合される。また、燃料電池運転停止のこの方法には、主要負荷の接続を解除してカソード流れ区域への空気の供給を停止した後に、残りの酸化剤が完全に消費されるまでアノード流れ区域へ新鮮な燃料を供給し続けることが含まれる。このような酸化剤の消費は、電極電位を急速に低下させることにもなる小容量の補助負荷が電池の両端に適用されることによって促進されるのが好ましい。一旦、全ての酸化剤が消費されると、燃料供給は停止され、燃料排出弁は閉じられ、そしてアノード流れ区域内の水素濃度が、所望の最終濃度レベルより高い選ばれた中間濃度レベルに低下するまで、（必要ならば）空気がアノード流れ区域へ導入される。次いで、アノード流れ区域内への空気の流れが停止され、燃料電池ガスは平衡に達することができ、この平衡は、電解質を横断するガスの拡散、および水素と加えられる酸素との化学的および電気化学的反応によって起こる。
【０００５】
運転停止の継続中、水素濃度がモニタされ、そして必要に応じて、必要ならば、水素が加えられ所望の水素濃度レベルが維持される。この運転停止方法は、水素濃度の望ましい範囲が０．０００１％と４％の間で、残部が燃料電池不活性ガスであることを教示している。水素を加える後者のステップは、例えば密封部を通って、空気が燃料電池の中に漏れ込みまたは拡散することおよび水素が燃料電池から漏出または拡散することの一方または両方により必要であると考えられる。空気がシステムの中に漏れ込むとき、水素は空気中の酸素と反応して消費される。水素は、時折、置換して所望の範囲内に水素濃度を維持することが必要である。
【０００６】
燃料電池発電設備を運転停止するこれらと他の既知の方法は、特に酸素と水素の相対濃度を決定するために、設備の燃料電池の流れ区域内のガス組成の間欠的な決定を必要とする。電極に隣接する燃料電池流れ区域内のこのようなガス組成を決定するための既知の装置および方法は、標準的なガス組成検出器を含む。しかしながら既知の検出器では、燃料電池発電設備の効率的な運転停止を維持するのが非常に困難となっている。既知の検出器は、特に電極に隣接する燃料電池流れ区域の作動環境内では信頼できない。１０年間の予想使用寿命の間に５０，０００から１００，０００回の運転停止・起動サイクルを有しそうな輸送装置内で使用するには、検出器の信頼性が重要な問題となる。さらに、反応物流体流れ区域内にまたは発電設備内の燃料電池スタック内に既知のガス組成検出器を取り付けることは、特にそのような燃料電池スタックアッセンブリが二百を超える別々の燃料電池を有する場合、製造および費用に大きな負担をかけることになる。既知のガス組成検出器は、費用および製造の問題を最小限に抑えるように、燃料電池発電設備の反応物流体流れマニホールド内には取り付けることができるであろう。しかしながら反応物流れ区域の外部への検出器のそのような配置は、燃料電池流れ区域内のそのような反応物ガスの代表的な組成を測定するためには、流れ区域内に貯蔵されるガスの再循環流を必要とするであろう。このような再循環流は、発電設備の運転停止中に送風機その他を作動させる大きな補助電力を必要とするであろうし、これは設備に対する付加的な負担となるであろう。
【０００７】
従って、設備の運転停止中に設備の燃料電池の反応物流れ区域内のガス組成をモニタするための、また、燃料電池発電設備の電極の電位を開回路電位限界より下に維持するように運転停止中に流れ区域内のガス組成を調整するための効率的なシステムを含む燃料電池発電設備が必要とされている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、運転停止した燃料電池発電設備の燃料電池内のガス組成を決定するためのシステム、およびこのシステムの作動方法である。システムは、水素含有還元性流体流れおよびプロセス酸化剤反応物流れから電流を生成するための少なくとも一つの燃料電池を含み、燃料電池は、電解質の両側にアノード電極およびカソード電極と、アノード電極に隣接して流れるように還元性流体流れを導くための、アノード電極に隣接するアノード流れ区域と、カソード電極に隣接して流れるようにプロセス酸化剤流れを導くための、カソード電極に隣接するカソード流れ区域と、アノード流れ区域内へ還元性流体を選択的に導入するための、アノード流れ区域と流体連通するように取り付けられたアノード入口弁とを含む。システムは、燃料電池と電気的に接続するように取り付けられた検出器回路も含み、この回路は、電源と、電圧測定装置と、検出器回路スイッチとを含む。この回路は、電源が所定の検出継続時間の間、燃料電池に所定の検出電流を選択的に供給することができるように、取り付けられる。検出器回路が、電池の運転停止モニタ電圧が電池の検出器電圧限界と同じかまたはそれを超えることを検出するときは必ず、アノード流れ区域内へ還元性流体を選択的に導入するように、制御装置が検出器回路およびアノード入口弁と電気的に連通するように取り付けられる。
【０００９】
システムは効果的に燃料電池内の電極を検出器として利用する。所定の検出継続時間の間、燃料電池に特定の検出電流を印加することにより、電池は、各電極に隣接する反応物流れ区域内のガス組成に比例した電圧を発生する。検出器回路は、燃料電池発電設備内のガス組成の関数として特定の燃料電池発電設備内の燃料電池のための特定の検出器電圧出力を決定するように最初に較正する必要がある。
【００１０】
電極の開回路電位が水素基準電極に対して０．２ボルトより下に維持される場合、電極は、それほど酸化的腐食を経験しないことが決定された。特定の燃料電池発電設備のための検出器回路を較正することで、その発電設備のための検出器電圧限界が決定される。その発電設備のための検出器電圧限界は、０．２ボルトの燃料電池のための開回路電圧に相当する。検出器電圧限界は、過度の量の酸素が反応物流れ区域内に存在することを示す電圧である。
【００１１】
検出器回路は、アノードが水素ガスまたは既知の組成の水素に富むガスに曝されているときの電池の開回路電圧（以下、「開回路水素電圧」と呼ぶ）と、検出器回路の所定の検出電流が燃料電池の流れ区域内の第一の酸素濃度ため所定の検出継続時間の間、電極に印加されるときの電極のモニタ電圧との間の関係を最初に確立することによって較正される。次いで、開回路水素電圧と、燃料電池の流れ区域内の第二の酸素濃度のための電極のモニタ電圧との間の関係が確立される。開回路水素電圧と二つの酸素濃度のためのモニタ電圧との決定からのデータの相関が、検出器電圧限界を決定するのに利用される。開回路水素電圧と、燃料電池発電設備内のさまざまな反応物濃度のためのモニタ電圧との間の関係は、例えば、図２などに示すようなグラフ上にデータ点として電圧をプロットして線を規定することにより確立でき、これから燃料電池発電設備のための検出器電圧限界を外挿できる。
【００１２】
燃料電池発電設備の停止中に、検出器回路は、所定の検出継続時間の間、燃料電池電極に所定の検出器電流を間欠的に印加するのに簡単に利用できる。検出継続時間の終了の直前に結果として得られた電圧（以下、「運転停止モニタ電圧」と呼ぶ）が、検出器電圧限界と同じかまたはそれを超える場合は、検出器回路は、燃料電池流れ区域内に多量過ぎる酸素が存在することを検出しており、酸素を消費するように水素を導入することができる。さらに、発電設備の一つまたは複数の燃料電池が、設備の運転停止中に有害な酸素濃度より下に燃料電池の流れ区域をどれくらい長く維持することができるかを決定するために、発電設備の特定の一つまたは複数の燃料電池を試験するのに、システムを利用できる。この情報は、設備の運転停止中に設備が流れ区域に水素を補給する機構を備えていない場合、予想運転停止・起動サイクルの数、酸素の流入を制限するシールの性質その他に基づいて燃料電池発電設備の使用寿命を評価するのを助ける。
【００１３】
従って、本発明の一般的な目的は、運転停止した燃料電池発電設備内のガス組成を決定するためのシステムと、従来技術の欠点を克服する、システムの運転方法とを提供することである。
【００１４】
より具体的な目的は、燃料電池発電設備内のガス組成検出器を利用する必要のない運転停止した燃料電池発電設備内のガス組成を決定するためのシステムおよび方法を提供することである。
【００１５】
さらに別の方法は、ガス組成を決定するための検出器として発電設備の燃料電池の電極を利用する運転停止した燃料電池発電設備内のガス組成を決定するためのシステムおよび方法を提供することである。
【００１６】
別の目的は、停止の間、発電設備の水素を含有する能力についての情報を提供する運転停止した燃料電池発電設備内のガス組成を決定するためのシステムおよび方法を提供することである。
【００１７】
運転停止した燃料電池発電設備内のガス組成を決定するための本発明のシステムおよび方法のこれら、およびその他の目的および利点は、添付の図面とともに以下の説明が読まれるときより容易に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図面を詳細に参照すると、運転停止した燃料電池発電設備内のガス組成を決定するためのシステムの第一の実施態様が図１に示されており、参照符号１０で全体が示されている。システムは、アノード１４（ここではアノード電極と呼ぶこともある）と、カソード１６（カソード電極と呼ぶこともある）と、アノードとカソードとの間に配置された電解質１８とを有する燃料電池１２を含む。電解質１８は、米国特許第６，０２４，８４８号に記載されている種類のプロトン交換膜（ＰＥＭ）の形態でもよく、あるいは電解質はリン酸電解質燃料電池などの水性の酸性電解質燃料電池の中で一般に見られるようなセラミックマトリックス内に保持されてもよい。
【００１９】
アノード電極１４は、アノード基体２０を含み、アノード基体２０は、電解質１８に面する基体２０側でこの基体上に配置されたアノード触媒層２２を有する。カソード電極１６は、カソード基体２４を含み、カソード基体２４は、電解質１８に面する基体側でこの基体上に配置されたカソード触媒層２６を有する。燃料電池は、また、アノード基体２０に隣接するアノード流れ区域２８と、カソード基体２４に隣接するカソード流れ区域３０とを含む。カソード流れ区域３０は、酸化剤、好ましくは空気をカソード入口３４からカソード出口３６へカソードの端から端まで運ぶための、カソード流れ区域３０に亘って延在する複数の流路３２を画成する。同様に、アノード流れ区域２８は、水素含有還元性流体または燃料を、アノード入口４０からアノード出口４２へアノード電極１４の端から端まで運ぶための、アノード流れ区域２８に亘って延在する複数の流路３８を画成する。アノード流れ区域２８およびカソード流れ区域３０は、両流れ区域２８、３０を通って流れる反応物流れを、アノード電極１４またはカソード電極１６に隣接しかつ接触して通るように導くために、アノード流れ区域２８およびカソード流れ区域３０内に画成された細孔、流路または空隙を含む。
【００２０】
単一セル１２だけが示されているけれども、実際には、燃料電池発電設備は、電気的に直列に接続された複数の隣接セル（即ち、セルのスタック）から構成され、各セルは、１個のセルのカソード流れ区域を、隣接するセルのアノード流れ区域から分離する冷却器板および／または分離器板（図示せず）を有する。図１に示している電池のような燃料電池に関するさらに詳細な情報について、読者は、同一出願人が所有し両方とも参照することによりここに組み込まれる米国特許第５，５０３，９４４号および第４，１１５，６２７号に案内される。‘９４４特許は、電解質がプロトン交換膜（ＰＥＭ）である固体高分子電解質燃料電池を記載している。‘６２７特許は、電解質が多孔質炭化ケイ素マトリックス層内に保持された液体であるリン酸電解質燃料電池を記載している。本発明は、ＰＥＭ型電池で使用するのに特に好適であるが、本発明は、リン酸型電池または他の既知の電解質でも使用することが可能である。
【００２１】
図１に示すように、燃料電池システムは、水素含有還元性流体燃料供給源４４と、空気などのプロセス酸化剤供給源４６とを含む。燃料は純水素でもよく、改質天然ガスまたはガソリンのような水素に富むその他の燃料でもよい。カソード入口ライン４８が、酸化剤供給源４６からカソード流れ区域入口３４の中に空気を運び、カソード排気ライン５０が、カソード出口３６から使用済み空気を運び去る。カソード入口弁５２が、カソード入口ライン４８に取り付けられ、カソード出口弁５４が、カソード流れ区域３０を通るプロセス酸化剤または空気の流れを許可または停止するために、カソード排気ライン５０に取り付けられている。送風機５６が、カソード入口ライン６０に取り付けられ、カソード流れ区域３０通って流れるプロセス酸化剤の流れの圧力を増加させることが可能である。
【００２２】
アノード入口ライン５８が、燃料供給源４４とアノード流れ区域２８との間に流体連通するように取り付けられ、アノード排気ライン６０が、アノード流れ区域２８から還元性流体燃料の流れを導く。アノード入口弁６２が、アノード入口ライン５８に取り付けられ、アノード排気弁６４が、アノード流れ区域２８を通る水素含有還元性流体燃料の流れを許可または停止するために、アノード排気ライン６０に取り付けられる。
【００２３】
アノード再循環ライン６６が、アノード出口４２およびアノード入口４０と流体連通するように取り付けられることが可能であり、それによって、アノード再循環ライン６６は、アノード出口４２とアノード排気弁６４との間、そしてアノード入口４０とアノード入口弁６２との間に取り付けられる。アノード再循環ライン６６は、アノード排気ライン６０内のアノード排気の流れの一部をアノード再循環ライン６６を通してアノード入口４０の中に移動させ、アノード流れ区域２８へ戻すためのアノード再循環ポンプまたは送風機６８を含む。酸化剤供給ライン７０が、アノード再循環ライン６６に取り付けられるので、酸化剤は、アノード再循環ライン６６へ流入することが可能であり、酸化剤供給ライン７０は、酸化剤供給源４６と流体連通するように取り付けられてもよく、あるいは単純に周囲空気に対して開かれていてもよい。燃料真空破壊弁７２が、酸化剤供給ライン７０に取り付けられ、アノード再循環ライン６６内への酸化剤の通過を許可または停止する。さらに、燃料真空破壊弁７２は、アノード再循環ライン６６からのアノード排気の流れまたは任意の酸化剤の流れを禁止するように機能してもよい。
【００２４】
燃料電池発電設備１０のガス組成を決定するためのシステムは、アノード電極１４とカソード電極１６とを接続する外部回路７４も含む。外部回路７４は、主要負荷スイッチ７８によって外部回路７４に接続される主要負荷７６を含む。外部回路は、補助負荷スイッチ８２によって外部回路に接続される補助抵抗負荷８０を含んでもよく、補助負荷８０は、補助抵抗負荷８０と直列にダイオード８４を含んでもよい。
【００２５】
さらに検出器回路８６が、外部回路７４などを通して電池１２の電極１４、１６と電気的に連通するように取り付けられる。検出器回路８６は、通常のＤ．Ｃ．電源、調整電源、バッテリー型の電源などの直流電源８８と、標準的な電圧計９０などといった検出器回路の電圧を測定する電圧測定装置手段と、検出器回路スイッチ９２とを含む。
【００２６】
燃料電池発電設備１０の通常運転中は、主要負荷スイッチ７８が閉じられ（このスイッチは図１では開いて示されている）、補助負荷スイッチ８２は開かれているので、燃料電池発電設備は、電動機その他などのような主要負荷７６に電気を供給し、また、検出器回路スイッチ９２は開かれているので、検出器回路は、アノード電極１４およびカソード電極１６に全く電流を導いていない。酸化剤送風機５６およびアノード排気再循環送風機６８は稼動中である。カソード入口弁５２およびカソード出口弁５４は開かれていて、アノード入口弁６２およびアノード排気弁６４も同じである。アノード再循環ライン６６を介して空気がアノード流れ区域２８内に流入しないように、燃料真空破壊弁７２は閉じられている。
【００２７】
従って、発電設備１０の通常運転中は、酸化剤供給源４６からの空気などのプロセス酸化剤が、カソード入口ライン４８を通ってカソード流れ区域３０入口の中に連続的に供給され、そしてカソード排気ライン５０を通ってカソード流れ区域３０から排出される。燃料供給源４４からの水素含有還元性流体燃料が、アノード入口ライン５８を通ってアノード流れ区域２８の中に連続的に供給される。使用済み水素燃料を含有するアノード排気の一部は、アノード排気ライン６０およびアノード排気弁６４を通ってアノード流れ区域２８から排出され、同時に、従来技術で周知の仕方で、アノード再循環ライン６６および再循環送風機６８が、アノード排気の残部をアノード流れ区域２８を通して再循環させる。アノード排気の一部を再循環させることは、アノード流れ区域２８のアノード入口４０からアノード出口４２まで比較的均一なガス組成を維持するのに役立ち、水素利用率を高めることができる。水素がアノード流れ区域を通るとき、周知の仕方で水素がアノード触媒層２２上で電気化学的に反応して、プロトン（水素イオン）と電子を生成する。電子は、アノード電極１４から外部回路７４を通ってカソード電極１６へ流れ、主要負荷７６に電力を供給する。
【００２８】
運転中の燃料電池発電設備１０を運転停止する方法は、外部回路７４の中の主要負荷スイッチ７８を（図１に示しているように）開くまたは接続を解除して主要負荷７６の接続を解除することを含む。アノード入口または燃料フローバルブ６２は開いたままであり、アノード排気再循環送風機６８は作動中のままでアノード排気の一部の再循環は続いている。しかしながら、アノード排気排出弁６４は、流入する燃料中の水素のパーセント、および燃料電池のアノード側とカソード側との相対体積に応じて、開いたまま、あるいは閉じたままになる。カソード流れ区域３０への新鮮な空気の流れは、カソード入口弁５２およびカソード出口弁５４を閉じることによって停止される。カソード入口送風機５６も停止される。次いで、補助負荷８０は、補助負荷スイッチ８２を閉じることにより外部回路に接続することができる。電流が補助負荷８０を通って流れると、典型的な電気化学電池反応が起こり、カソード流れ区域３０内の酸素濃度が減少し、電池の電圧は低下する。
【００２９】
燃料電池１２内に残っている全ての酸素を電気化学的に反応させるために、燃料電池１２内に未だに充分な水素が存在している間に補助負荷８０の適用が開始される。電池電圧が、予め選択された値、好ましくは１個の電池当たり０．２ボルト以下、に少なくとも低下するまで補助負荷８０は接続されたままであるのが好ましい。カソードおよびアノード１４、１６に亘って接続されているダイオード８４は、電池電圧を検出し、電池電圧が予め選択された値を超えている限り、電流を補助負荷８０に通す。このように、燃料電池１２の電圧は予め選択された値まで低下され、その後はその値に制限される。電池電圧が、１個の電池当たり０．２ボルトまで落ちるとき、カソード流れ区域３０内の実質的に全ての酸素、および電解質１８を横断してアノード流れ区域２８まで拡散したあらゆる酸素が消費されたことになる。次いで、補助負荷８０は、補助負荷スイッチ８２を開くことにより接続が解除される。
【００３０】
発電設備１０の運転停止中に、空気からの酸素は、流れ区域２８、３０に漏れ込むことがあり、それによって、アノード電極１４およびカソード電極１６の電位は、最終的には、水素基準電極に対して０．２ボルトより上に上昇し、燃料電池１２内の酸化的腐食に繋がる。次いで、還元性流体供給源４４からの水素ガスは、酸素を消費するために、電極電位が０．２ボルトに到達する前に導入することができ、それによって、どのような酸化的腐食も最小限に抑えられる。水素は、アノード排気排出弁６４は閉じたままでアノード入口弁６２を開き、アノード再循環送風機６８に電源を入れることによって、アノード流れ区域２８全体を通して循環させることができる。また、このように導入されたどのような水素も、電解質１８を通って拡散して、カソード流れ区域３０内の酸素を消費する。
【００３１】
検出器回路８６は、所定の検出継続時間の間、電極１４、１６に所定の検出電流を印加するように検出器回路スイッチ９２を閉じることによって、いつ燃料電池１２内へ水素を導入するのが適切かを決定するのに利用できる。検出継続時間の終了の直前に、電池電圧は、電圧測定装置９０によって決定され、この電圧は、ここでは、「運転停止モニタ電圧」と特徴付けられる。運転停止モニタ電圧が、検出電流を受け取る燃料電池のための検出器電圧限界と同じかまたはそれを超える場合は、上述したように、または当業技術内で知られる任意の方法によって、水素または水素に富むガスは、燃料電位１２の流れ区域２８、３０へ導入することができる。
【００３２】
検出器回路８６は、燃料電池１２の流れ区域２８、３０内への水素燃料の導入を制御する水素導入制御装置手段（図示せず）と連通することもできる。制御装置手段は、検出器回路８６によって検出器電圧限界付近またはそれを超えた運転停止モニタ電圧が検出されるときに流れ区域２８、３０内へ水素を導入する仕事を実現できる当業技術内で知られる任意の制御装置とすることができる。例示的な制御装置手段は、アノード入口弁６２を発電設備のオペレータ（図示せず）が単純に手動で開くこと、あるいは燃料電池流れ区域内へ水素を導入できる任意の他の機構を含み、さらには、オペレータまたは制御システムによりアノード排気再循環送風機６８を始動することを含む。他の制御装置手段は、検出器信号に応答して弁および送風機その他を開にするために当業技術内で知られたものなどの、電圧測定装置をアノード入口弁６２およびアノード再循環送風機６８と統合した電気機械制御器を含むことができる。
【００３３】
検出器回路８６は、特定の燃料電池発電設備と共に使用するために、この発電設備のための検出器電圧限界を決定するように較正する必要がある。検出器回路８６の較正は、電池の電極が１００％水素ガスに曝されているときの発電設備の電池の開回路電圧（ここでは、「開回路水素電圧」と呼ぶ）と、検出器回路の所定の検出電流が燃料電池の流れ区域内の第一の反応物濃度ため所定の検出継続時間の間、電極に印加されるときの電極のモニタ電圧との間の関係を確立することによって実現される。次いで、開回路水素電圧と、燃料電池の流れ区域内の第二の反応物濃度のための電極のモニタ電圧との間の関係が確立される。
【００３４】
検出器回路の例示的な較正は、以下の手順を含むものであった。２０セルの燃料電池スタックを、米国メリーランド州エルクトン（Ｅｌｋｔｏｎ）のゴア社（Ｗ．Ｌ．  Ｇｏｒｅ  Ｃｏｍｐａｎｙ）から「Ｇｏｒｅ  ５５６１」という製品名で入手可能なプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）アノード・カソード電極アッセンブリを用いて、作製した。スタックは、燃料電池内で第一の最初のガス組成、室温で保管し、上述した補助負荷８０などの抵抗補助負荷を接続し、それによって、電池の両端の電圧は０．０ボルトであった。補助負荷の接続を解除し、検出器回路は、５秒間の検出継続時間の間、電池の両端に１００ミリアンペア（「ｍＡ」）の検出電流を供給した。検出継続時間の終了において、電流を接続したままで、０．２５ミリボルト（「ｍＶ」）のモニタ電圧を測定した。次いで、検出回路の接続を解除し、１００％の水素をアノード流れ区域内へ導入し、開回路水素電圧は、０．０１ボルトと測定された。図２は、参照符号９４でグラフ上のこれら２つのデータ点の相関のプロットを示す。当業者は、１００ｍＡの検出電流を印加したときの電池内のガス組成が実質的に純水素であったことを導き出すことができる。
【００３５】
第二のガス組成すなわち燃料電池内の第二の反応物濃度に対して同じ手順を繰り返した。１４ｍＶのモニタ電圧を測定し、０．８５ボルトの開回路水素電圧を測定した。これらのデータ点の相関は、図２に参照符号９６で示す。当業者は、１００ｍＡの検出電流を印加したときの燃料電池内のガス組成が５％〜２０％の酸素であったことを導き出すことができる。第三のガス組成に対するさらなる試験では、参照符号９８でプロットするように、約０．７５ｍＶのモニタ電圧と、対応する約０．２ボルトの開回路水素電圧とを測定した。第四のガス組成に対する別の試験では、図２に参照符号１００でプロットするように、約３．５ｍＶのモニタ電圧と、対応する約０．５５ボルトの開回路水素電圧とを測定した。図２のグラフから明らかなように、参照符号９４、９６、９８、１００でのこれらの四つのデータ点は、線１０２を規定する。
【００３６】
線１０２は、０．２ボルトの開回路電圧に対応する検出器電圧限界を決定する基準として役立ち、これは、線１０２上の約０．７ｍＶのモニタ電圧に対応する。換言すれば、この第一の例示的な２０セルの燃料電池スタックのための検出器回路が、５秒間の検出継続時間の間、１００ｍＡの検出電流を供給するときは必ず、酸化的腐食を最小限に抑えるためには、結果として得られる運転停止モニタ電圧は、０．７ｍＶより下の必要がある。運転停止モニタ電圧が、この燃料電池発電設備に対して０．７ｍＶ付近かまたはそれを超える場合は、過剰の酸素を消費するように燃料電池流れ区域へ水素を導入できる。さらに、例示的な燃料電池に対する間欠的な試験による検出器回路の使用によって、例示的な２０セルの燃料電池スタックが運転停止開回路電位を検出器電圧限界より下に維持できる時間の長さを明らかにすることができる。これは、運転停止の期間に発電設備が燃料電池流れ区域に水素を補給する能力を有していない場合に、２０セルの燃料電池スタックを利用する燃料電池発電設備の使用寿命についての貴重な情報を提供する。
【００３７】
図２に示すように、検出器回路は、２７６燃料セルを有する第二の例示的な燃料電池スタックに対しても較正した。データの考察によって、２７６セルスタックに対して参照符号１０４で示す線を規定したが、線１０４は、２７６セルスタックのための約６ｍＶの検出器電圧限界を生成する。
【００３８】
異なる酸素ガス組成でのモニタ電圧に対する開回路水素電圧の相違は、当業技術内で知られているような対応する酸素の酸化−還元反応よりかなり大きな可逆性のある（すなわち、かなりより低い過電圧で生じる）水素放出−消費（酸化−還元）反応の結果である。
【００３９】
特定の燃料電池のために検出器回路を較正する代替の手順は、アノード流れ区域およびカソード流れ区域の両方に４％〜１００％の既知の水素組成を有する水素含有ガスを流すことを含む。次いで、所定の検出器電流を、所定の検出器継続時間の間、印加し、電池の両端のモニタ電圧を、検出器継続時間の終了の直前に測定する。１００％水素から成るガス流を、検出器電流を遮断した直後にアノード流れ区域に流して、開回路水素電圧を発生させる。この手順は、アノード流れ区域およびカソード流れ区域の両方に流す４％〜２１％酸素の既知の組成を有する酸素含有ガスで繰り返す。上述したようにモニタ電圧を決定し、次いで、１００％水素をアノード流れ区域に流して、第二の酸素組成のための開回路水素電圧を決定する。次いで、二つの酸素組成に対する開回路水素電圧とモニタ電圧との間の関係を、図２のようなグラフ上にデータとして測定値をプロットすることなどによって確立する。次いで、この関係から、代替の手順により試験した特定の一つまたは複数の燃料電池のための検出器回路限界を特定する決定を行うことができる。
【００４０】
従って、本発明の運転停止した燃料電池発電設備１０内のガス組成を決定するためのシステムおよび方法は、燃料電池を運転停止する既知のシステムおよび方法で生じる酸化的腐食および燃料電池の性能低下を最小限に抑えるために、運転停止中に燃料電池流れ区域２８、３０内の酸素の量を効率的にモニタすることを提供する。検出器回路８６のための効果的な検出器として燃料電池のカソード電極１６およびアノード電極１４を利用することで、燃料電池流れ区域２８、３０やマニホールド内に複雑で費用のかかる検出器を何ら使用する必要なしに、ガス組成決定を間欠的にモニタできる。運転停止中の燃料電池流れ区域２８、３０内のガス組成をモニタする際に、また、運転停止モニタ電圧が検出器電圧限界とほぼ同じかまたはそれを超えるときは必ず流れ区域２８、３０内へ水素を導入する際に、検出器電圧限界を使用することで、本発明のシステムおよび方法は、燃料電池発電設備１０のどのような酸化的腐食も性能の低下も最小限に抑えることになる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に従って構成された運転停止した燃料電池発電設備内のガス組成を決定するためのシステムの好ましい実施態様の概略図。
【図２】２０セルおよび２７６セルの燃料電池スタックアッセンブリを用いた、さまざまな酸素ガス組成に対する開回路水素電圧データとモニタ電圧データとのプロットを示すグラフ。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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